更快地推动节能减排进程--发动机起停技术应用探讨

本网编辑 2014-06-03

起停系统（Start & Stop）可以在汽车等待信号灯或者堵车时自动关闭发动机，当要继续行驶时，只要踩下离合器踏板或是松开制动踏板，发动机立即重新起动。通过这种自动调节，能够减少汽车怠速工况下所产生的燃油消耗和尾气排放。然而，对于堵车比较严重的国内城市，频繁地走走停停让发动机不断地起停，不但对起动机、点火系统造成较大负荷，而且发动机频繁起动产生的顿挫感也让驾乘者感到不舒服。另外，对于起停技术的节油效果，业内人士也是众说纷纭。

据资料显示，2013年欧洲新车的起停系统装配率已达50%，预计到2019年装配率最高可以达到90%。在美国，目前起停系统的装配率也非常高，预测到2019年可以达到70%。而上述地区如此高的装配率，与其在CO2排放上的严格控制以及整个车辆的使用成本不断增加不无关系。而在中国，2013年起停系统的装配率还不到4%。但随着环境问题的日益严峻以及政府对汽车节能减排工作的逐渐重视，许多业内人士纷纷表示，推广汽车发动机起停技术刻不容缓。

工业和信息化部部长苗圩明确表示，起停技术的节能效果十分明显，将在政策层面给予支持，推动这一技术成为标准配置系统。原中国汽车研究中心主任、机械部汽车规划研究院院长王秉刚也表示，起停技术目前投入最少、效果最明显，最容易得到节能减排的效果。

本期专题策划从OEM厂商、一级供应商及二级供应商等不同层面解读起停技术及其应用，希望可以跟读者分享他们的技术开发思路。在环保标准不断提升、节约能源迫在眉睫的关键时期，更快地推动节能减排的进程是我们当前最紧迫的任务。

本期对话嘉宾

詹樟松博士重庆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院副院长、动力研究院院长许立兵博士东风汽车技术中心汽油机项目总工程师

李丰军先生一汽集团技术中心汽车电子部部长

孙国忠先生博世起动机和发电机事业部中国区总裁

杜曦先生英飞凌科技（中国）有限公司汽车电子事业部市场总监村田制作所（中国）

发动机起停技术节油效果显著

AI:对于起停技术的节油效果到底有多大，业内人士众说纷纭。您认为在比较拥堵的城市路况下，装配起停系统能够达到怎样的节油效果？是否有相关测试验证？

詹樟松博士：一般情况下，起停技术在城市路况下的节油效果明显。根据长安汽车开展的系统起停技术研究表明：应用该技术可实现NEDC循环综合油耗降低3%～6%。但对于起停系统的实际应用效果需具体分析。例如，在等红灯或堵车不能前行时，车速为零。若无起停技术，发动机将处于怠速运行，而怠速工况是发动机整个工况中最大耗油工况之一，会持续消耗燃油；装配有起停系统，发动机将停止运转，这会明显节油。

许立兵博士：直观来看，在车辆起动后发动机水温达到正常状态，可以采用发动机起停措施让车辆停车时发动机暂停工作，省下的油即为起停本身的节油率。仅使用起停系统的车辆也被称为“轻度混合动力车辆”，无论通过国标车辆燃油经济性试验循环还是日常城市行驶条件测试，节油率均相当明显。比较各种节油措施的投入产出性价比发现：采用起停技术是很有吸引力的一项技术策略。

图1 重庆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院副院长、动力研究院院长詹樟松博士

李丰军先生：起停系统的节油效果是很明显的。在标准NEDC油耗测试循环下，怠速工况总次数为18次，总时间为280s（包括城区4个循环，每循环4次怠速时间分别为11s、21s、21s和7s，共计60s，4个循环总计16次，共240s。城郊循环2次怠速每次20s，共计40s）。由于第一个城区工况发动机水温未达到暖机状态，起停系统不起作用，扣除60s，实际怠速停止总时间为220s。例如，一汽集团的威姿车型，搭载TA1发动机的正常怠速油耗为0.8～1.0L/h，整车NEDC循环油耗测试值为5.8L/100km；如按怠速油耗1.0L/h计算，整个NEDC循环共计节油0.084L，节油率为1.5%。

我们也对城市路况下的节油情况进行了测试。以一汽集团厂区的实际路线为例，交叉路口等待1～2个红绿灯基本可以通过，交通状况属于正常状态，而非拥堵的路况。两辆测试车交替开起和关闭起停系统共行驶2400km，平均节油5%～9%，对于拥堵路况节油会更多。

村田制作所（中国）：一般来说，起停系统可以使车辆在城市的路况节油5%左右，如果像北京、上海的高峰时段，这种拥堵路况节油最少达到10%以上，同时它还能减少尾气排放，对于越来越高的油价以及现在城市本来就不是很好的空气来说，受到政府、汽车主机厂以及消费者的欢迎。

杜曦先生：目前来讲，起停系统确实是一个很好的技术方案，尤其在交通经常拥堵的城市地区。通过使用起停系统，在怠速或低速行驶时，减少油耗，减少尾气排放，这对减低PM2.5和PM10应该会有明显的效果。

目前，起停系统主要有两种技术路线：12V起停系统和48V起停或微混系统。12V起停技术由于技术难度相对较低，在传统动力总成架构上改动较小，成本增加不多，将会是短期内国内整车厂率先考虑实施的方案。48V起停技术是全球的技术热点，该系统在实现起停功能同时，可进一步实现微混功能，从节能减排的大环境下来看，可能是性价比最优的解决方案。48V起停系统可以作为新能源技术路线一种过渡技术，可以降低燃油消耗10%～15%。对于我国目前产量最大的3～4缸（非直喷）发动机及配套的A级以下的车型，48V系统以最小的投入，对目前发动机及车辆最小的改动，来满足能耗排放要求，以延续目前的发动机生产寿命，而受到中国汽车市场越来越多的关注和探索。

推广起停技术面临诸多挑战

AI:采用起停系统后意味着发动机将会有更多的起、停操作，这不仅影响乘坐舒适性，是否对发动机的使用寿命产生影响？

詹樟松博士：装配起停系统的车型必然经过相应强化及系统的设计验证和耐久考核后才能上市，因此用户无需为发动机寿命担心。频繁地起、停操作必然对发动机部分零部件提出了更高的要求，如起动电机、点火系统、电池及发电机等，这就要求整车厂在开发过程中对这些关键零部件进行强化和优化设计，以保证整个生命周期内的使用质量。总体而言，起停技术已是一项较为成熟的技术，只要是整车厂已批量上市的产品，应该都经过了厂家严格的可靠性试验验证，消费者可放心使用。相较于国家相应法规要求，长安汽车试验验证种类更多、时间更长且标准更严格，因此上市产品的寿命有质量保障。

图2 优化前后的发动机起停系统

许立兵博士：发动机重新起动恢复运转的代价、发动机停机后正常的驾驶舱内环境保持，如起停系统需配套采用电动机驱动的空调压缩机、驾驶习惯能否接受起步动态响应及控制起动机械噪声是开发起停功能的同时需要解决的问题。从实现的方案角度分析，除了马自达的发动机自起停方式外，较常用的方式是直接采用专用起动电机代替常规起动机，实现整车起停功能，同时采用带有CAN/LIN通信功能调节器的高效发电机实现能量管理。制动减速时，设定高电压值，实现快速充电；起步加速时，设定低电压值，降低发电机转矩实现较小功率消耗。其他方式如皮带起动发电一体机系统（BSG系统）是利用皮带传动方式在曲轴与电动机之间进行动力传输，BSG电动机集成了起动/发电功能，实现了整车起停功能，并能为整车系统发电。如果采用BSG系统，由于发动机在起动瞬间前端附件轮系统松紧边产生转换，系统受力相比普通机型变化很大，因此多数BSG附件系统都需要重新设计。

更改涉及到BSG电动机/张紧轮（液压张紧轮）、惰轮、BSG专用多楔带和支架，另外皮带需要增加楔数。根据设计经验，采用BSG实现起停一般都需要增加多楔带，楔数从而增加皮带的传动力，具体楔数需由皮带厂家计算确定。随着发动机启动转矩的增加，需要核算对发动机曲轴系统的扭振的影响，所以一般大排量发动机和六缸以上的发动机BSG较少采用。两种起停方式的比较见表。

起停系统需要在开发和标定过程中优化（优化前后的对比见图），满足驾驶性、排放和可接受的舒适性。

李丰军先生：频繁地起停确实会对发动机某些部件的使用寿命产生较大影响。例如，对于起动机正常设计寿命通常为3万次，采用起停系统之后，起动机设计寿命要提高到30万次。相应的结构也要变化，必须采用缓啮合式起动机，蓄电池的容量也要相应加大或采用AGM电池。由于只有在发动机暖机之后，起停系统才起作用，磨损的影响并不大，针对起停系统的专项发动机台架可靠性试验也证实了这一点。

AI:除了发动机本身之外，目前阶段，您认为，要想在国内推广起停系统还面临哪些挑战？

詹樟松博士：目前在国内推广起停系统面临的挑战主要包括以下三个方面：

（1）起停系统成本尚高

目前起停技术成本较高，推广应用存在些障碍；另一方面，国内供应商对起停系统关键零部件的开发尚处于起步阶段。

（2）目前普通的起停系统存在影响用户驾驶习惯及舒适性的两大问题。第一是起动时间的延长，发动机熄火后整车需要快速起动，起动时间目前一般左右1 s，长安汽车的起停系统已做到0.65s的国内先进水平，装配起停技术后，用户原来习惯的怠速－发车就变为了熄火－发车，感知中始终会慢一点；第二是起停时的振动及对车内电子设备的影响，如红灯停车、入库刷卡及通过人行道等短期内停车熄火，会让很多用户尚不适应这种行车模式。

（3）另外，起停时的振动及电路电压变化影响车内电子设备让很多用户感觉舒适性降低，这些因素会在一定程度上影响用户的驾驶体验。

不过，总体来说，随着技术的更新换代，起停系统成本会越来越低，起动时间会越来越短，起动时的振动也会越来越小，舒适性越来越高，油耗改善效果愈加明显，所以推广应用的前景依然非常好。

图3 博世高效发电机

李丰军先生：推广怠速起停技术面临着许多挑战：首先是起停系统的节油效果，在不同的交通状态下有不同的结果，要做好科学的宣传，使用户正确地理解该技术；其次，乘用车大多数空调和暖风系统还是由发动机驱动的，怠速停机后对舒适性有一定的影响，尤其是在一年中长时间处于炎热或寒冷的地区。

孙国忠先生：目前，整个市场对起停系统的认知度还不是很高，车型普及率不够，消费者会抱一种怀疑的态度。因为没开过，没有过实际的体验。目前在中国，奥迪、宝马N20发动机平台全系列标配，以及其他主要国际品牌都将大规模引入装配起停系统的车型，同时博世也开展了很多的市场推广活动以及跟主机客户进行一些联合的市场推广。

此外，中国对排放法规要求越来越严格，而在“两会”期间，工信部部长苗圩也公开在讲，现在节能减排形势非常严峻，国家要进行扶持相关产品和技术，其中就提到了起停系统。这些消息对我们而言都是非常利好的。

杜曦先生：对于起停系统的推广，对于12V起停系统，目前已没有太大技术瓶颈，供应链体系也都已成熟，但推广上有车主的驾驶适应习惯，也有来源于主机厂增加起停系统功能随之带来的附加成本等相关问题。而对于48V系统的推广，目前还有比较大的挑战。首先是相关系统成本比较大幅度的增加，市场是否可以接受认可48V系统带来的优势去平衡成本的增加；另外，系统方案的成熟度和供应链也处于完善阶段，再加上要与传统发动机完美配合才能带来最大化的节能和驾驶效果，国内对于传统发动机技术的掌握本身也在逐渐完善提升过程中。

起停技术应用前景广阔

AI:据资料显示，目前及今后欧美新车的起停系统装配率都比较高，在中国，很多专业人士也非常看好其应用前景，贵公司为起停系统在中国的进一步市场化作了哪些工作？

詹樟松博士：长安汽车是国内最早研发起停技术的企业之一，2008年即已开始研发应用起停技术，2010年推出国内第一款正式上市的装配起停系统的车型。截至目前，长安汽车很多新上市车型都已经配备了起停技术，如悦翔、CS35、逸动、致尚XT及睿骋等，上市后也得到了较好的市场反馈，装配起停技术的车型占比在逐年增加。

长安汽车通过多年的技术研究和运行积累，在不断完善和优化现有起停技术的同时，也在逐渐推陈出现。我们新一代的起停系统将会实现更多功能，如制动能量回收、高速滑行和电动助力等，其在提高用户体验的同时，预计节油效果将超过10%以上。

李丰军先生：一汽集团在2008年初开始研发怠速起停技术，进行了车辆节油性能、整车安全性和对整车可靠耐久性的研究。制定了怠速起停系统的功能定义、发动机台架起停可靠性试验规范和怠速起停道路可靠性试验规范。并于2012年在威志V2、夏利N5车型上实现量产。一汽集团规划部门将怠速起停确定为“实现第四阶段油耗限值”的重要技术措施之一，并下发相关文件，以落实企业节能环保战略。为了进一步提升起停系统的节油效果，一汽集团在怠速起停的基础上，正在进行行车起停和直喷汽油机直接起停技术研究，并已取得阶段性成果。

图4 博世起停系统

孙国忠先生：博世全新推出带滑行功能的起停系统，可使车辆在大部分行驶时间内实现零排放、无噪声和低阻力驾驶模式。这项技术创新在车辆行进中（例如在平缓的下坡）即可关闭发动机，从而节省燃油。一旦驾驶员踩下油门或制动踏板时，发动机将重新起动。

全新起停系统的创新之处在于使用已有的传感器数据令软件系统得到加强。与此同时，装配起停系统的起动机可承受更大的电流并使起动更快速。另一方面，这个系统几乎不需额外零件，就可安装在任何一款车型上。无论是欧洲的柴油车、北美的汽油车，还是亚洲的天然气车，全世界的驾驶员都可以从这项新技术中获益，环境也将得到有效改善——起停系统的滑行功能可有效降低油耗，减少CO2排放量。举例来说，在德国，2012年的新车销量大约是300万辆，按统计数据显示，每辆车每年平均行驶里程大约是11500km，如果每辆新车都装备带有滑行功能的起动停止系统，每公里能减少10g CO2排放量，每年的CO2排放量将减少3万多t。

村田制作所（中国）：村田收购的VTI公司是率先进入汽车自动起停系统的公司之一。村田早已意识到起停系统在几年内必将成为中国市场的技术主流。村田可提供高可靠性MEMS惯性传感器以及其他被动元件。村田和国内很多一级供应商和主机厂商有密切合作并得到了高度认可，村田将利用技术优势为中国的节能减排做出应有的贡献。

图5 博世起动机和发电机事业部中国区总裁孙国忠先生

杜曦先生：在12V起停系统应用中，英飞凌推出了带LIN接口的智能型发电机电压调节器芯片，该芯片集成在发电机电压调节器模块中，通过LIN总线通讯可以依据发动机工况灵活调整发电机输出电压，并返回故障诊断信息，有助于进一步提高节油效果以及系统可靠性。使用英飞凌电压调节器的产品方案已被广泛应用于欧洲主流车型上。另外，随着12V起停系统的使用，原来汽车电源的分配系统中的机械继电器的寿命将无法承担发动机频繁起动和停机工作，英飞凌的固态半导体开关，如BTS50055/BTS50015就可以很好地支持起停系统，而且安全可靠、更节能。

在48V系统应用中，因为英飞凌是LV148协议组中惟一的半导体厂家，所以我们在48V系统的技术的布局上走在了世界前列，目前已成为业界首家可以提供完整汽车级解决方案的半导体供应商。英飞凌的功率器件可以完整覆盖从纯电动、插电、强混到中混再到48V系统等各个细分市场；英飞凌32位的微处理器以及即将问世的下一代多核微处理器均能够满足48V起停系统的需求。此外，我们还推出了一款可以耐压90V的驱动芯片来配合48V系统。

AI:您如何看待起停系统在中国市场的应用前景？

詹樟松博士：第一，从汽车企业的层面来看，油耗和排放法规越来越严格必然迫使车企业加速起停技术在中国市场的推广应用。随着环境问题日益突显，国家相继出台了更加严格的排放和油耗法规以及新能源扶持政策。在这种大趋势下，中国整车企业将会加速对节能技术的开发和应用。相对“中混”和“强混”，装配起停系统的车辆能够以较低的成本获得较好的燃油经济性，是性价比相对较高的理想选择之一。在欧洲，由于较高的燃油价格以及严格的法规，起停技术已得到了广泛的应用，国内在今后一段时间内也会得以大规模推广应用。

图6 村田制作所（中国）加速传感器

第二，从消费者层面来说，城市道路的拥堵、汽车用户节能意识逐渐提高及国内油价的上涨必然加速用户对起停技术的接受程度。中国汽车行业发展依然处于快速增长期，各一、二线城市汽车千人保有量也在逐渐攀升，目前城市道路拥堵问题越来越严重。另外，用户的节能意识将大幅度提高，起停技术在拥堵的城市工况下的高效节能效果也被越来越多人所接受。中国近年燃油价格也是一路走高，这也迫使着用户逐渐考虑节油问题。所以，起停技术应该会被越来越多的用户所接受。

许立兵博士：从节能减排法规的趋势上看，未来起停系统将成为乘用车，尤其是大排量乘用车的标配。

在推广起停功能的过程中，除了生产企业通过产能提高减少增加的成本，驾驶感与普通车辆趋同也是被市场接受的重要一环。

图7 英飞凌科技（中国）有限公司汽车电子事业部市场总监杜曦先生

李丰军先生：中国几乎所有的大中城市都存在着交通拥堵的状况，汽油价格也在不断攀升，而拥堵路况下起停系统的节油效果更好，几乎一年就可以回收增加的购车成本，因此，起停系统在中国市场上拥有广阔的应用前景。一汽集团、长安汽车等自主品牌汽车企业已经将起停系统作为企业的产品卖点实现量产。

孙国忠先生：当前博世起停系统在国内的装配应用发展非常迅速，主要的国际品牌都已经或者即将把装配起停系统的车型大规模投放市场，自主品牌方面，长安汽车、长城汽车、吉利汽车、上汽集团、东风汽车和海马汽车等，有的已经量产了，有的还在开发阶段，还有的正在与我们就相关项目进行技术交流。在国内，我们目前已有将近20个客户和40多个项目正在运行。

图8 东风汽车技术中心汽油机项目总工程师许立兵博士