常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第27卷第2Vol.27No.22013年3月Mar.,2013
基金项目“汽车再生制动与液压制动的混杂动态集成控制研究”（BK2011367）
通讯联系人：胡明明，硕士研究生，研究方向：汽车机电一体化，E-mail ：humingmingnba@sina.
汽车怠速起停系统研究进展
胡明明1，2，陈庆樟2，许广举1
（1.苏州大学机械工程学院，江苏苏州215000；2.常熟理工学院汽车工程学院江苏常熟215500）
摘要：介绍了汽车怠速起停系统的分类及原理，分析了起停系统的控制策略，探讨了起停系
统关键技术问题.研究表明，智能怠速起停系统通过采集及分析汽车各部件信号及驾驶员的指令，判断汽车的起停条件及需求，实现对汽车怠速的停止起动控制，达到汽车怠速节能减排的目的；当
前起停系统的研究重点是怠速停止起动智能判断、起动速度优化、电池寿命延长、高性能高寿命起
动电机开发等方面.
关键词：怠速；起停系统；关键技术；研究进展
中图分类号：U461.8文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2013）02-0079-05
怠速起停系统被认为是未来汽车节能减排的一项关键技术，在典型城市道路中怠速工况可达20%以上，怠速工况时缸内燃烧完善程度较差，污染物排放较高，燃油消耗没有用于车辆行驶做功[1].起停系统能够在车辆怠速时，控制发动机自动熄火，当驾驶员有起动车辆的意图时，自动起动发动机[2].怠速起停系统能够
有效提高城市行驶车辆的燃油经济性，减少汽车污染物排放.围绕汽车怠速起停系统的开发与应用，国内外学者已经开展了大量的研究工作，主要有：博世公司采用增强起动电机替换原有电机的方法实现了汽车的怠速起停[3]；丰田汽车公司采用世界首款永久啮合齿轮装置，开发出新一代怠速起停系统[4]；长安汽车股份有限公司通过设计合理的控制算法及采用大容量高性能的电池开发出了国内首个自主研发的起停系统[5]；奇瑞公司通过采用BSG 技术，不仅实现了汽车的怠速停止还能做到汽车的再生制动[6].
本文介绍了现代汽车怠速起停系统，分析了智能起停系统的控制策略，以及发展怠速起停技术面临的
挑战及解决策略.1怠速起停系统工作原理
起停系统利用具有怠速起停功能的电机取代原有的起动电机，在必要的时候能够实现自动起停.在驾驶员有启动意图时，控制系统迅速响应驾驶员操作，通过电机起动发动机，使汽车重新前进[7].图1是手动档起停操作示意图，在遇到红灯时，控制芯片接收各传感器和开关以及驾驶员传递的信息，分析具体状况，判断驾驶员是否有意图停机，在条件允许的情况下，关闭发动机，当红绿灯交换时，再次判断
驾驶员的起动意图，接通电机，迅速起步[8].
常熟理工学院学报（自然科学）2013年2怠速起停系统技术
当前使用的怠速起停系统有手动挡/自动挡起停系统、低速熄火/静止熄火起停系统、起动电机/轮毂电机起停系统和缸内直喷式起停系统等.根据起动机的不同，可以分为BSG/ISG 起停系统、ESM 起停系统、GDI 起停系统.2.1BSG/ISG 起停系统
BSG （Belt Driven Starter Generator ）技术是利用BSG 电机（启发一体机）实现汽车怠速
起停的技术.图2为BSG 系统的结构原理图.
发动机和BSG 电机通过皮带相连接，电机带
动发动机起动.当车辆停止时，通过对汽油喷
射装置发出指令，停止喷油从而使发动机熄
火，结束怠速状态.当汽车启动时，对电池供电，由电机带动发动机起动[9].之所以还保留原有的起动电机，是为了保证当温度过低时，由原有电机保证发动机启动.BSG 起停系统还添加有制动能量回收系统，更有效地节约燃料.ISG （Integrated Starter and Generator ）技术在起停功能的实现方面与BSG 技术一致，只是用ISG 电机替换了BSG 电机，工作原理也是一致的[10].2.2ESM 起停系统
ESM （Energy Saving Motor ）技术即增强型起动机技术，采用增强型起动机替换原有起动机.增强型起动机比原有起动机具有更长的使用寿命，更多的启动次数.再给系统安
装上成本较低、发电效率更好的发电机，就能
够在原有基础上进一步提高节油效率.图3
为ESM 起停系统原理图[11].2.3GDI 起停系统图4是缸内直喷起停系统的原理图[2]，在发动机起动或者停止时，使活塞固定处于一个设定的位置，当需要起动发动机时，将少许
燃油喷射到处于压缩行程状态的气缸中，点火系统点火，燃油燃烧
爆发的推力使活塞推动曲轴反转，反转使处于膨胀行程的气缸再次
进入压缩行程状态，等到达到适当的点火角后再次点火，从而使曲
轴正转，进而起动发动机[12].相较而言，BSG/ISG 技术不仅能够很好地实现汽车怠速起停功
能，能量制动回收率较高，节能效果明显，但与其他两种相比，成本较高，对原车的改动较大；ESM 技术利用增强型起动电机替换原有
图2BSG
怠速起停系统原理图
, 图3ESM
怠速起停系统原理图
,
图4缸内直喷技术原理图
K C
图1手动档起停操作示意图
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瑞虎3价格胡明明，陈庆樟，许广举：汽车怠速起停系统研究进展2起动机，使汽车能够适应频繁的启动，其最大的优点就是成本低，对原车的改动小，缺点也很明显，节能效率相对较低[13].GDI 技术，是舍弃原有的起动电机，通过将燃油直接喷入缸内点火带动发动机启动，安装该系统的汽车起动迅速，振动噪声较小[14].2.4其他起停系统怠速起停系统还可根据汽车手动挡和自动挡的不同分成手动挡起停系统和自动挡起停系统.根据能否
低速熄火分为低速熄火起停系统和静止熄火起停系统等.自动挡和手动挡汽车最主要的区别是传动部件，手动挡依靠离合器传动而自动挡则是依靠液体传动系统，传动系统的区别导致汽车起动和停止所需要的操作及内部运转的不一致，从而造成两种怠速起停系统的差别.
安装有怠速起停系统的汽车能否低速熄火，是由起动电机与发动机的连接方式决定的.传统的起动电机与发动机通过伸出式齿轮传动，这种连接方式是不能低速熄火的，因为如果在低速熄火，那么汽车将无法在完全停车前重新启动（传动齿轮无法在转动的情况下连接）.
当起动电机与发动机通过永久啮合型齿轮或者皮带连接时，这种汽车就能够在低速（发动机转速低于起动电机工作转速）状况下重新启动，故此安装有该种起停系统的汽车能够低速熄火.
3怠速起停系统的控制策略
起停系统控制策略根据车速、发动机转速、变速器挡位和离合器等输入信号以及驾驶员的挡位、离合器等信号做出判断，在特定的情
况下给出自动停机指令或者自动起动指令.判断驾驶员真正的意
图，并且能够迅速做出响应，迅速启动或停止汽车，并且不会对驾驶
员的正常操作产生影响，综合考虑所有相关情况，确保起停操作的安
周六日可以汽车年审吗全[15].合理安排停机的时机，尽可能提高再次起动的速度，同时要求不会对空调等功能使用产生影响.图5是汽车自动停车算法流程图.
起停系统不断采集信号及驾驶员指令，判断驾驶员是否有停机意图，
若有，再判断系统是否允许停机，系统允许则停机，否则结束系统，等
待下一次检测[16].起停控制系统是一个综合多项输入信号，经过分析，再输出信号的系统，可以将其分解成起停条件判断、起停需求判断、起停协调策
略这3个相对独立又相互联系的模块，通过各模块之间互相合作，使
怠速起停功能得以实现.图6为怠速起停系统控制策略结构图.3.1条件判定模块起停条件判定模块专职收集汽车各方面的安全及控制信息，包括起停主开关状态，车辆安全检测，传动链开关检测，LIN （Local Interconnect Network ）故障检测，起动机状态故障/检测，电池状态/传感器故障检测，制动真空度状态传感器故障检测，空调等系统需求/故障检测.将众多的信息归纳成是否能起动汽车，是否能自动停车，是否要禁用起停系统，是否要起动发动机.并根据收集归纳出的条件，判断情况，控制汽车的起动和停止.3.2需求判定模块起停需求判定模块通过采集起停系统主开关、加速踏板和离合器上相应传感器反馈的控制信息，以及车辆内部设备对起动发动机的需求，根据汽车当前的状态发出相应的起
停指令.以手动挡车辆为例，在满足其他条件模块的条件下，挂空挡且离合器踏板松开表明驾驶员想要停机，而离合器踏板被踩下则说明驾驶员想要再次起动汽车.
图5汽车自动停车算法流程图
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2013年3.3协调策略模块协调模块收集条件模块及需求模块的信息，首先分析汽车是否满足停机条件，其次判断驾驶员是否有起停需求，综合考虑汽车当前状况，实时分析判断，做出自动停机或起动的决策，并发出指令[17].4需要解决的关键技术问题
当前怠速起停系统的关键技术问题主要有起动速度慢，发动机磨损，起动电机损
伤，电池损耗等.4.1起动速度慢传统汽油机起动时有一定的滞后，燃油喷射在进气管中，汽油/空气充分混合后
进入气缸，起动电机与发动机依靠伸出式
齿轮传动，如果安装怠速起停系统，将导致
起动缓慢，起动时间增加[18].直喷发动机直接将雾化的汽油喷入活塞缸中，而不需要在进气管中混合，这样就能节约发动机起动的时间.故此安装直喷发动机的汽车起动速度会比安装进气管喷射发动机的快.同时用皮带连接或永久齿轮啮合的方式取代原有的伸出式齿轮的连接，极大地缩短了起动时间.4.2发动机磨损以及起动机损伤频繁起动停止容易造成发动机的磨损，也容易导致起动电机过热损坏.发动机在冷起动时磨损的最厉害是因为还未形成润滑油膜，因此最好不要在暖机完成前启动起停系统，并且要使用高级的机油以减少不必要的磨损.
起动电机的问题可以通过开发新型高性能电机或者优化控制策略的方式来解决.开发的新型电机要比原有电机有更长的使用寿命、更多的启动次数.优化策略即进一步考虑起停条件，在必要的时候熄火，尽量减少汽车的起停频率，增加电机的使用寿命[19].4.3舒适性差怠速起停系统的应用会频繁起动发动机，而由于起动时的振动较大，会使车内的乘坐人员感到不适，尤
其是冷起动时由于摩擦较大，振动也更剧烈.针对舒适性差这一技术缺陷，需要开发永久齿轮啮合系统、双螺旋管式皮带传动等方式来减小起动的振动.同时通过优化控制策略关闭起停系统，冷起动后，汽车运行一定距离或一段时间后再运行起停系统，也可以进一步安装高性能的减震器减少车体振动[20].
4.4电池的损耗采用起停系统后发动机的频繁启动，必然导致蓄电池更多的充放电，这将会降低电池的使用寿命.
目前最佳的解决方法是使用超级电容作为电机的直接驱动源，蓄电池作为备用能源，由于超级电容具有充放电迅速、没有污染、且不存在蓄电池的记忆问题、储能量大的特点，能够有效为起动电机提供能量[21].参考文献：
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图6起停系统控制策略结构图
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Research Progress of Vehicle Idling Stop-Start System
HU Ming-ming1,2,CHEN Qing-zhang2,XU Guang-ju1
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Soochow University,Suzhou215000,China;
2.School of Automotive Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu215500,China) Abstract:This paper introduces the automobile idling start-stop system classification and principle,analyzes the start-stop system control strategy,and discusses the key technology problems of start stop system.Studies show that smart idle stop system collects,analyzes automotive components and the drivers'instruction signal,de⁃termines the car starting and stopping conditions and requirements,implementation of vehicle idling stop/start control,and achieves the goal of saving energy and reducing vehicle idling start-stop system.The current re⁃search focuses on the idling stop and start intelligent judgment,starting speed optimization,extended battery life,high performance and high life starting motor development,etc.
Key words:idling;start-stop system;key technology;research progress
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