48VBSG混合動力系統控制策略研究

王建勛 辛海霞 方立輝 郭鳳男 王琦

摘 要：為驗證48VBSG混合動力系統的性能效果，論文對傳統動力系統進行了48VBSG電機的搭載，設計控制策略實現智能起停、電機助力和制動能量回收等混動功能，并在動力總成臺架上完成48VBSG混合動力系統經濟性和動力性的驗證。試驗結果表明，相比于傳統動力系統，48VBSG混合動力系統能夠明顯改善燃油經濟性和動力性，NEDC循環測試可以實現7.4%節油效果，百公里加速時間減少2s。

關鍵詞：48V BSG電機;混合動力;控制策略

中圖分類號：U463.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2020）17-73-04

The Study of 48 VBSG hybrid system control strategy

Wang Jianxun， Xin Haixia， Fang Lihui， Guo Fengnan， Wang Qi

（Center of Technology， Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co.， Ltd， Heilongjiang Harbin 150060）

Abstract： To test and verify the performance effect of 48 VBSG hybrid system， the traditional power system the carrying 48 VBSG motor， control strategy design intelligent start-stop， hybrid functions such as motor power and braking energy recovery， and complete on powertrain test bench 48 VBSG economy and power performance of the hybrid system verification. Experimental results show that compared with the traditional power system， 48 VBSG hybrid system can significantly improve fuel economy and power performance， NEDC cycle test can achieve 7.4% Fuel consumption effect， Hundreds of kilometers acceleration time reduce 2s.

Keywords： 48V BSG ; Hybrid? power; Control strategy

CLC NO.： U463.5? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-73-04

1 引言

面對日益嚴峻的環境問題和能源問題，混合動力技術是實現未來汽車節能減排的有效途徑，在國家政策的大力支持和引導下，各大車廠紛紛推出各自的混合動力車型。強混合動力汽車可以達到25%的節油效果，但開發周期長、成本高，如何實現經濟性和節油率兩者之間的平衡是其能夠快速、大范圍推廣的關鍵。48VBSG系統弱混合動力汽車具有改動小，成本低，易于實現的優點，節油效果在10%-15%之間，是傳統汽車向新能源汽車過渡的優選方案，具有較高的經濟效益和應用前景。目前，對48VBSG混合動力系統控制策略的研究主要集中在起停控制，對其他工作模式控制策略的研究仍不全面。本研究將市面上一臺主流汽車的傳統動力系統改裝成48VBSG混合動力系統（48V系統），對混合動力系統的工作模式和控制策略進行了研究，并在動力總成臺架上驗證了經濟性和動力性優化效果。

2 系統結構與工作模式

2.1 系統結構與參數

48VBSG混合動力系統的結構如圖1所示。BSG電機為起動發電一體機，固定在發動機曲軸前端，通過皮帶與發動機輪系連接，取代了傳統動力系統中的發電機。同時配置電機控制器和48V電池，DC/DC及相關電壓網絡，48V電池除給電機供電外，還可通過DC/DC轉換后供車載附件用電。系統中保留了傳統起動機，因此發動機起動存在兩種方式，首選BSG電機起動發動機，當不滿足BSG起動發動機的觸發條件，如環境溫度過低、電池能力不足或BSG電機故障等情況下，則采用傳統起動機完成發動機的起動，增加系統的可靠性。

BSG電機和48V電池的主要參數分別如表1、表2所示：

2.2 系統工作模式

48V系統在傳統動力系統的基礎上新增的工作模式有：（1）智能起停，（2）電機助力，（3）制動能量回收。48V系統控制策略簡圖如圖2所示，各工作模式之間的跳轉依據相應的觸發條件，當條件滿足時進入對應的工作模式。

3 混動工作模式控制策略

3.1 智能起停工作模式

3.1.1 怠速工況分析

在NEDC法規測試工況中，怠速工況的總時間為280s，占整個循環工況23.7%，怠速工況如果關閉發動機，理論上可以實現3%-5%的節油效果。隨著中國汽車的擁有量逐年增加，城市交通擁堵現象日益嚴重，采用智能起停控制是減少油耗的有效手段。

3.1.2 怠速工況分析

本研究中動力系統搭載的是手動變速器，駕駛員對離合器踏板的操作是實現智能起停功能的條件之一。

在車輛減速進入發動機怠速工況，滿足即停的基本條件時，駕駛員松開離合器踏板，即可觸發發動機自動停機，圖3為發動機停機控制過程。

當車輛需要再次起步，滿足即起的基本條件時，駕駛員踩下離合器踏板，即可觸發發動機立即起動，圖4為發動機起動控制過程。BSG電機快速拖動發動機至800rpm轉速附近，然后控制發動機噴油和點火，避過發動機起動噴油加濃階段。相比于傳統起動機起動方式可以節約起動時的燃油消耗，且明顯縮短起動的時間。

速降至420rpm～480rpm，而后根據電子泵建立油壓的特性，為了穩定油壓，再以20rpm的步長上升至目標轉速，目標轉速一般在500rpm左右。

3.2 電機助力工作模式

3.2.1系統扭矩特性

由圖5為傳統動力系統發動機外特性曲線和增加BSG電機后48V系統的外特性曲線。傳統發動機扭矩響應慢，在2000rpm以下的低轉速區域內，輸出扭矩低，高轉速區域內輸出扭矩高。而電機扭矩響應快，低速扭矩大，高速扭矩小。由于電機和發動機兩者之間的優勢互補，結合后可以極大拓展動力系統低速區的動力性能，在全轉速范圍內均保持大扭矩輸出。

3.2.2 電機助力控制策略

對于48VBSG混合動力系統，總驅動扭矩可以表述為：

（1）

其中，Tdrive為驅動扭矩;Tengine為發動機扭矩;Tmotor為電機扭矩;i為電機與發動機速比;Taccessory為發動機附件扭矩;Tfriction為摩擦損失扭矩。

當發動機工作在低速高負荷高燃油消耗區域內，BSG電機盡可能多參與工作，可以提升燃油經濟性。而電機助力能力受48V電池電量和電機工作狀態的影響，為了兼顧車輛的經濟性和動力性，需對發動機扭矩和電機扭矩進行合理分配，發動機和電機目標扭矩的計算過程如圖6所示。

首先由發動機轉速和油門踏板開度解析駕駛員需求扭矩，根據電機轉速和電池電量確定電機能夠提供的扭矩，然后由兩者的差值確定發動機的需求扭矩。由于發動機扭矩響應緩慢，為避免出現扭矩波動，需對發動機需求扭矩進行濾波處理，并利用電機響應迅速的特點，通過電機扭矩對總需求扭矩進行補償。

3.3 制動能量工作模式

3.3.1 制動工況分析

傳統汽車在減速制動的時候，機械能通過摩擦轉換為熱能，這部分能量的轉化不可逆且無法再次利用造成了能量的浪費。在搭載了48VBSG電機的混合動力系統上，當駕駛員踩下制動踏板后，BSG電機工作在發電機模式，將機械能轉化為電能并存儲到48V電池中。在汽車再次行駛時，回收產生的電能通過電機拖起發動機或提供輔助動力再次轉化為機械能，或供車載附件消耗進而降低對發動機的依賴。因此制動時回收的能量越多，則意味著可以減少更多的燃油消耗。

3.3.2 制動能量控制策略

制動能量回收的控制策略以回收能量最大為目標，同時兼顧駕駛的舒適性和安全性。48V混合動力系統中制動方式的決策流程如圖7所示。

制動工況的控制策略設計以安全性為首要目標，當48V電池SOC已達到安全狀態的最大閾值，此時禁止BSG電機向電池充電，汽車的減速制動僅由機械制動完成，BSG電機不再參與制動過程。此外，在制動的過程中，還需時刻保證電機的功率不超過電機峰值回收功率和電池峰值充電功率限值，當電機回收功率達到最大，仍未滿足駕駛員需求的減速度，則機械制動與電機制動同時工作。

4 試驗結果及分析

為了驗證48V系統的混動控制策略以及性能的改善效果，對傳統動力系統（1.5T發動機和手動變速器）和改裝后的48V系統，在動力總成臺架上分別進行了燃油經濟性和動力性測試。試驗中的主要技術參數如表3所示。

4.1 燃油經濟性試驗

為驗證48V系統的節油效果，分別對傳統動力系統和48V系統進行多次NEDC循環測試，對于48V系統在需保證在整個NEDC循環能量回收和能量消耗相等。

傳統動力系統冷機測試的平均油耗為7.63L，單獨起停功能平均油耗7.266L，節油率4.7%，達到理論計算的最大水平，48V系統平均油耗7.066L，節油效果達到7.4%，油耗測試結果如表4所示。

傳統動力系統和48V系統市區循環油耗對比如圖9所示，市郊循環油耗對比如圖10所示，48V系統在怠速和加速階段的瞬時油耗明顯降低，智能起停和電機助力功能混動策略設計達到了節油效果。

4.2 動力性能試驗

分別測試傳統動力系統和48V系統在全油門狀態下的動力性能，試驗過程中保證48V電池的電量處于較高水平，避免出現由于電池電量不足而影響電機的性能的情況。

傳統動力系統百公里加速測試如圖11所示，車速從0km/h到100km/h的加速時間為12.8s，中間經過兩次換檔過程，其中，1檔升至2檔時間約為0.7s，2檔升至3檔時間約

為1.2s。臺架測試中換擋時間較長，影響了百公里加速時間，對比實車測試數據，百公里加速時間為11.38s，兩次換擋時間均為0.3s左右，臺架測試結果在合理范圍內。

48V系統的百公里加速測試如圖12所示，車速從0km/h到100km/h的加速時間為10.8s，相比原機縮短2s，動力性能提升的效果明顯。

5 結束語

本文針對48VBSG控制策略及臺架模擬整車進行測試驗證，在傳統動力系統的基礎上搭載BSG電機，改裝成48VBSG混合動力系統，通過對整車混動控制策略的設計，實現了智能起停、電機助力和制動能量回收等混動功能。對傳統動力系統和48V系統的經濟性和動力性進行了對比試驗。試驗結果表明，48V系統能夠明顯改善經濟性和動力性，NEDC循環測試可以實現7.4%節油效果，百公里加速時間減少2s。

參考文獻

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