基于Cruise 的48 V 輕混系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究*

楊 陽(yáng) 陳 瑋 劉宇哲

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

引言

隨著汽車保有量的日益增加，能源供應(yīng)與生態(tài)環(huán)境的壓力加劇。針對(duì)汽車的節(jié)能減排，世界各國(guó)相繼推出更加嚴(yán)格的能耗與排放法規(guī)，使得汽車企業(yè)面臨技術(shù)升級(jí)和轉(zhuǎn)型壓力[1-3]。目前，各大汽車企業(yè)投入大量的資源研究強(qiáng)混合動(dòng)力系統(tǒng)、純電動(dòng)及燃料電池汽車，但成本較高，銷量不容樂(lè)觀，企業(yè)長(zhǎng)期虧損[4]。而48 V 輕混合動(dòng)力車型是在傳統(tǒng)燃油車上增加一套48 V 輕混合動(dòng)力系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱輕混系統(tǒng)），保留了車輛原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，開發(fā)周期短、難度低、成本低[5-6]，且能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)混合動(dòng)力功能，因此獲得國(guó)內(nèi)外諸多汽車企業(yè)的青睞。

目前，奔馳、奧迪等國(guó)外汽車企業(yè)以及長(zhǎng)安、吉利等國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)已經(jīng)將自己研發(fā)的48 V 混合動(dòng)力車型推向市場(chǎng)[7-8]。此外，博世、大陸、法雷奧等國(guó)際汽車供應(yīng)商也推出48 V 輕混系統(tǒng)解決方案。在傳統(tǒng)汽車企業(yè)向智能制造和電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的漫長(zhǎng)進(jìn)程中，48 V 輕混合動(dòng)力技術(shù)將有巨大的發(fā)展前景[9]。本文基于AVL-Cruise，將某原型車改制成48 V 輕混系統(tǒng)樣車，通過(guò)NEDC 循環(huán)測(cè)試研究其節(jié)能效果。

1 48 V 電源系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1.1 48 V 電源系統(tǒng)的構(gòu)成

48 V 輕混系統(tǒng)包含48 V BSG（Belt-driven Starter Generator）電機(jī)、鋰電池以及DC/DC 轉(zhuǎn)換器。BSG 電機(jī)是發(fā)電/起動(dòng)一體機(jī)，具有2 種運(yùn)行模式：發(fā)電模式和電動(dòng)機(jī)模式，BSG 電機(jī)在為發(fā)動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力、起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)處于電動(dòng)機(jī)模式，其他情況處于發(fā)電模式[10-11]。48 V 鋰電池用于存儲(chǔ)制動(dòng)能量，同時(shí)利用存儲(chǔ)的能量進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或助力。DC/DC 轉(zhuǎn)換器為一種雙向電壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)它工作在正向模式時(shí)，向12 V電負(fù)載提供電能。48 V BSG 系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 48 V BSG 系統(tǒng)架構(gòu)圖

按照起動(dòng)電機(jī)的布置位置，48 V 輕混系統(tǒng)可以分為P0、P1、P2、P3、P4 5 種結(jié)構(gòu)。除了上述5 種結(jié)構(gòu)，隨著技術(shù)的提升，48 V 輕混系統(tǒng)衍生出了新的結(jié)構(gòu)，如P3+P4、PS、P2.5 等[12]。

1.2 48 V 系統(tǒng)功能和原理

整車控制器（MicroAutoBox，簡(jiǎn)稱MAB）負(fù)責(zé)與整車CAN/LIN 進(jìn)行通訊，獲取整車的運(yùn)行狀態(tài)信息，并與48 V 系統(tǒng)CAN 進(jìn)行通訊，控制BSG 電機(jī)以及DC/DC 的工作模式，實(shí)現(xiàn)48 V 輕混系統(tǒng)的功能。

基于BSG 技術(shù)的48 V 輕混系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)5 種基本工況：怠速起停、加速助力、制動(dòng)能量回收、巡航、滑行起停。工作模式如圖2 所示。

圖2 48 V 輕混系統(tǒng)工作模式

1）怠速起停。該工況下，控制系統(tǒng)自動(dòng)切斷汽油機(jī)供油，發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉裝態(tài)。

3）能量回收。車輛在制動(dòng)過(guò)程中，48 V 輕混系統(tǒng)進(jìn)入能量回收模式，通過(guò)48 V BSG 電機(jī)將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，儲(chǔ)存到48 V 鋰電池中[13]。

4）巡航。車輛等速行駛時(shí)，在電池電量充足的情況下，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)，依靠電機(jī)維持車輛運(yùn)行；再次踩下油門踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)迅速起動(dòng)，平滑切入當(dāng)前車速[14]。

5）滑行起停。松開油門踏板后，離合器斷開發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械連接，徹底關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的行駛。相當(dāng)于傳統(tǒng)車輛的空擋滑行，但傳統(tǒng)車輛滑行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)依然需要噴油維持運(yùn)轉(zhuǎn)[15]。

2 48 V 輕混系統(tǒng)模型搭建

原型車為2019 年生產(chǎn)的某品牌汽車，其整車參數(shù)如表1 所示。

表1 原型車整車參數(shù)

基于傳統(tǒng)燃油車，利用AVL-Cruise 建立P0 結(jié)構(gòu)的48 V 輕混系統(tǒng)模型，如圖3 所示。

圖3 NEDC 循環(huán)工況圖

控制系統(tǒng)搭建時(shí)，Cruise 提供DLL 和API 2 種接口工具箱[16]。本文采用DLL 接口工具箱，利用Matlab/Simulink 建立控制系統(tǒng)如圖4 所示。

由表3可知，不同配方速溶油茶得率不同，配方1～7的茶葉均為春綠茶，得率在17.64%～19.62%；配方9為冰鮮烏龍茶（成熟葉片），CK為市場(chǎng)上油茶企業(yè)常用的原料（粗老茶），得率分別為8.13%和10.77%。因此，速溶油茶得率與原料嫩度呈正相關(guān)，原料越老，內(nèi)含物越少，得率越低。另外，此次試驗(yàn)只浸提1次，下一步會(huì)增加浸提試驗(yàn)次數(shù)，研究最佳浸提次數(shù)，提高得率。

3 控制策略驗(yàn)證

本文使用國(guó)際上通用的NEDC 循環(huán)工況對(duì)控制策略的節(jié)能效果進(jìn)行驗(yàn)證。NEDC 循環(huán)工況由4個(gè)城市循環(huán)工況和1 個(gè)高速循環(huán)工況組成，具備怠速、加速、減速等工況，總耗時(shí)1 180 s，總里程為11.007 km。如圖3 所示。

法規(guī)要求，運(yùn)行NEDC 循環(huán)工況后，電池SOC必須保持平衡。因此，需要設(shè)定最佳的SOC 初始值。初步取SOC 初始值為70%、60%、50%，對(duì)3 種情形分別模擬NEDC 循環(huán)工況，得到瞬時(shí)油耗和電池SOC 變化情況，結(jié)果分別如圖4～圖9 所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)油耗圖（SOC 初始值=70%）

圖5 電池SOC 變化圖（SOC 初始值=70%）

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)油耗圖（SOC 初始值=60%）

圖7 電池SOC 變化圖（SOC=60%）

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)油耗圖（SOC 初始值=50%）

圖9 電池SOC 變化圖（SOC 初始值=50%）

1）SOC 初始值為70%

圖4 為SOC 初始值=70%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)油耗。

圖4 表明，在每次加速時(shí)，瞬時(shí)油耗下降明顯，最高下降為11.5 L/h。整個(gè)NEDC 循環(huán)工況，消耗燃油0.682 L。

圖5 為SOC 初始值=70%時(shí)電池SOC 變化。

圖5 表明，電池SOC 在運(yùn)行NEDC 循環(huán)工況后，由70%降為40%，無(wú)法達(dá)到充放電平衡。表明助力過(guò)多，需優(yōu)化控制策略。

2）SOC 初始 值為60%

圖6 為SOC 初始值=60%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)油耗。

圖6 表明，在每次加速時(shí)，瞬時(shí)油耗下降明顯，最高下降為11.6 L/h。整個(gè)NEDC 循環(huán)工況，消耗燃油0.691 L。

圖7 為SOC 初始值=60%時(shí)電池SOC 變化。

從圖7 可以看出，電池SOC 在運(yùn)行NEDC 工況后，由60%上升為61%，達(dá)到充放電平衡。

3）SOC 初始 值為50%

圖8 為SOC 初始值=50%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)油耗。

圖8 表明，在每次加速時(shí)，瞬時(shí)油耗下降明顯，最高下降為11 L/h。整個(gè)NEDC 循環(huán)工況，消耗燃油0.704 L。

圖9 為SOC 初始值=50%時(shí)電池SOC 變化。

圖9 表明，電池SOC 在運(yùn)行NEDC 循環(huán)工況后，由50%上升為59%。表明充電過(guò)剩，還有節(jié)油空間，需優(yōu)化控制策略。

根據(jù)法規(guī)要求，在運(yùn)行整個(gè)NEDC 循環(huán)工況，鋰電池的SOC 必須保持平衡，因此鋰電池SOC 的初始值設(shè)置為60%最佳。

原型車模型執(zhí)行NEDC 仿真，燃油消耗如圖10所示。

圖10 原型車發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)油耗圖

圖10 表明，原型車一個(gè)NEDC 循環(huán)，消耗燃油0.758 L。而48 V 輕混系統(tǒng)在SOC 初始值=60%時(shí)，整個(gè)NEDC 循環(huán)工況，消耗燃油0.691 L。相比原型車，48 V 輕混系統(tǒng)節(jié)油效果較為明顯，具備8.83%的節(jié)油能力。

4 樣車實(shí)車驗(yàn)證

在傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上，增加48 V 系統(tǒng)專用件，如BSG 電機(jī)、48 V 鋰離子電池、專用線束等，對(duì)輪系進(jìn)行改制，將48 V 鋰離子電池系統(tǒng)和DC/DC 轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵部件布置在行李箱。完成改制工作后，對(duì)48 V 控制器軟硬件進(jìn)行調(diào)試。完成調(diào)試后的樣機(jī)如圖11 所示。

圖11 48 V 系統(tǒng)樣機(jī)

對(duì)樣車改制前和改制后分別進(jìn)行NEDC 燃油消耗量試驗(yàn)，試驗(yàn)遵照GB T 19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》中相關(guān)要求執(zhí)行。本文選取改制前后的典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 樣車改制前后油耗對(duì)比L/100 km

由于市區(qū)工況發(fā)動(dòng)機(jī)起停較多，48 V 系統(tǒng)作用顯著，油耗下降明顯，市區(qū)工況油耗下降達(dá)1.14L/100 km；市郊工況油耗下降0.46 L/100 km，綜合油耗下降0.76 L/100 km，下降率為10.66%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，48 V 輕混系統(tǒng)具備10.66%的節(jié)油能力，初步達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文將傳統(tǒng)燃油車改制為48 V 輕混系統(tǒng)，48 V鋰離子電池最佳SOC 設(shè)置為60%，48 V 樣車模擬NEDC 循環(huán)工況，結(jié)果表明，48 V 輕混系統(tǒng)具備10.66%的節(jié)油能力。