48 V混合動力系統跛行模式電壓控制策略研究

宋浩源 郁大嵬 尹建坤 劉元治

（1. 中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130013；2. 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：48 V混合動力車輛 跛行 電壓控制 控制策略

BSG Belt-Driven Starter Generator VCU Vehicle Control Unit EMS Engine Management System BMS Battery Management System DC/DC Direct Current Direct Current Converter TCU Transmission Control Unit CAN Controller Area Network MHEV Mild Hybrid EV

1 前言

隨著國家油耗、排放法規的愈發嚴苛，節能減排成為各大車企必須面臨的挑戰，而48V 混合動力系統得益于硬件成本低、節油效果顯著而受到各大整車廠商的關注。

目前，奔馳、奧迪、長安、吉利等國內外整車廠商已經推出自己的48 V混動車型，博世等供應商也已經推出自己的48 V混合動力系統解決方案，在未來較長的一段時間，48 V系統將占據一定的地位。

48 V 輕度混合動力系統是通過升高電壓為車輛低壓系統用電設備提供更多的功率，并通過協調電動機與發動機功率輸出，實現發動機自動起停、停機滑行、能量回收、加速助力、電巡航、單一動力總成跛行回家功能，相對于傳統發動機能夠減少15%的二氧化碳排放。本文將介紹一種48 V系統的跛行控制方法，維持48 V 電壓為整車低壓系統供電的同時，能夠長時間長距離的維持車輛行駛。

2 48 V混合動力系統

本文研究對象為包含電動/發電(BSG)一體機、12 V 起動機和48 V 電池組的48 V 混合動力系統，如圖1 所示，由整車控制器(VCU)、發動機控制單元（EMS）、電機控制單元（MCU）、電池控制單元（BMS）、DC/DC 控制單元、變速箱控制單元（TCU）以及控制器對應的總成等組成。

圖1 48 V混合動力系統

48 V 混合動力系統的控制主要通過CAN 網絡進行通訊，控制器通過整車CAN 網絡獲取總成的信息，分析駕駛員駕駛意圖與動力系統運行狀態，計算發動機與電機的扭矩需求，實現對48V動力系統中各部件的控制。

在48 V系統中，整車控制器通過與各個控制單元進行交互，協調控制動力總成實現以下功能：

（1）48 V供電控制；

（2）發動機起停；

（3）能量回收

（4）電動助力；

（5）發動機工作點調節；

由于加入了BSG電機，48 V系統發動機起機包含2 種方式：（1）與傳統車類似的起動機拖動起動發動機，（2）BSG電機拖動起動發動機，其中BSG電機兼具發電與驅動的功能。

3 跛行功能電壓控制策略

車輛正常行駛過程中，48 V電機均工作在扭矩控制模式下。在48 V 混合動力系統中，發動機作為車輛的主要動力源，48 V 電池實現驅動助力與能量回收，并通過DC/DC的充電電壓維持整車低壓用電電子設備供電。

當48 V 電池出現嚴重故障，無法維持高壓時，車輛低壓系統用電全部來自12 V 蓄電池，導致12 V 蓄電池電量快速下降，車輛無法進行長時間跛行行駛。此時無論BSG 處于什么工作狀態(發電、電動或隨轉),均需要轉為發電狀態給整車用電設備供電。

基于以上所述，由BSG電機發電使系統維持48 V電壓向低壓系統供電成為了可能。

BMS實時監控48 V電池當前的工作狀態，當出現繼電器無法閉合或單體電壓過低而無法繼續工作的嚴重故障時，BMS 將當前故障狀態上報給VCU，VCU檢測到出現以上故障時，控制電機由扭矩控制模式轉為電壓控制模式，電壓控制目標為電機母線電壓值維持在一定范圍內，電壓控制參數可通過48 V MHEV模型進行聯合仿真確定；駕駛員驅動扭矩由發動機進行響應。

在電壓控制模式下，各個部件承擔的功能如下：

BSG 電機：通過感應電動勢，維持48 V 系統的電壓；

發動機：承擔駕駛員駕駛需求扭矩和BSG電機的發電扭矩需求；

DC/DC：將48 V 電壓轉換為12 V 電壓，為車輛的低壓系統供電；

約束條件：

（1）BSG電機發電扭矩在電機當前轉速的許用扭矩能力范圍之內；

（2）BSG電機感應電動勢目標電壓在DC/DC總成正常工作電壓范圍之內，本文中設定為36～52 V；

（4）BSG電機發電時扭矩在發動機許用最大扭矩能力范圍之內；

（5）BSG電機轉速低于自身最大允許轉速；

（6）發動機扭矩低于自身最大許用扭矩；

（7）車速在跛行模式最大車速限制之內；

由于48 V電機調節目標電壓能力較弱，為維持系統電壓的穩定，在整車控制器識別到電壓幅值變化較大時，限制DC/DC 的電流輸出，因此對DC/DC 總成增加一條約束；

（8）DC/DC輸出電流小于VCU發出的最大低壓端輸出電流限值；

為正常實現跛行模式下的電壓控制策略，涉及各總成的扭矩、轉速與電流均需滿足以上約束條件。

電壓控制過程由VCU主導協調控制各部件實現。

VCU 對電機的指令為電壓請求指令，請求值為44 V，MCU收到指令后按公式（1）輸出發電扭矩，維持電機母線電壓為VCU電壓請求值：

式中，為電機扭矩； 為VCU 的電壓請求值；為電機當前母線電壓值；k，m 為系數，具體值可通過臺架標定確定。

VCU對發動機的指令為扭矩請求指令：

式中，為發動機扭矩；為駕駛員需求扭矩；為電機扭矩。

通過以上策略，實現在維持母線電壓穩定的同時，響應駕駛員扭矩需求以正常驅動車輛行駛。

3.1 48 V系統上電前電壓控制策略激活

圖2 所示為48 V 系統上電前電壓控制策略激活流程。

圖2 48 V上電前電壓控制策略激活流程

48 V 系統未上電時，此時電池出現嚴重故障，且發動機、BSG電機、DC/DC 總成未出現不能運行故障，激活電壓控制策略。

VCU 判斷滿足激活條件后控制起動機起動發動機，發動機起動成功并進入怠速狀態后，將發動機轉速調節至目標轉速，在車輛驅動時VCU控制發動機響應駕駛員需求的同時，承擔BSG電機維持系統目標電壓所消耗的功率的任務，此時DC/DC能夠維持車輛低壓系統的正常供電。

3.2 48 V系統上電后電壓控制策略激活

圖3 所示為48 V 系統上電后電壓控制策略激活流程。

圖3 48 V系統上電后電壓控制策略激活流程

VCU 判斷滿足激活條件后判斷發動機狀態與48 V 系統狀態，保證發動機運行并且48 V 系統完成下電，之后控制流程與圖2所述一致。

電壓控制策略激活完成后，整個系統能夠正常運行，保證用戶跛行回家的需求。

3.3 電壓控制策略退出

圖4所示為48V系統電壓控制策略退出流程。

圖4 電壓控制策略退出流程

當VCU檢測到鑰匙門下電，或相關總成出現故障時，退出電壓控制模式，控制DC/DC、BSG 電機、發動機停止工作，并對48 V系統進行快速放電。

48 V系統完成快速放電后，電壓控制模式退出完成。

4 48V系統電壓控制策略測試與驗證

為驗證本文中提出的電壓控制策略的有效性，選取某個自主品牌的48 V車型，通過注入電池的嚴重故障，在不同車速和不同用電工況條件下對控制策略進行了試驗，試驗結果如表1所示，

電壓控制的目標為維持電機母線電壓的穩定，通過DC/DC 滿足低壓負載的用電需求。如表1所示，在不同車速和較為劇烈的低壓用電條件下，電壓維持在正常范圍內，電壓控制模式可以持續穩定工作。

表1 不同車速和不同工況條件試驗結果

下面選取3 組數據，對上述的電壓控制策略的進入、控制及退出過程進行分析。

圖5 為48 V 系統上電前電池故障激活電壓控制過程，在48 V 系統上電前注入電池嚴重故障，上電后VCU 控制起動機起動發動機，電機進入電壓控制模式，發動機起機完成后帶動電機通過感應電動勢控制系統電壓維持在44 V。在第200～350 s的車輛行駛過程中通過快速打方向盤、打開空調、雨刮與收音機模擬劇烈用電工況，電壓依然可以維持在合理范圍內，車輛能夠穩定響應駕駛員需求持續行駛。

圖5 48 V系統上電前電池故障激活電壓控制過程

圖6中，48 V系統上電后，在第35 s時注入電池嚴重故障激活電壓控制策略，整車控制器控制電池繼電器斷開，BSG電機退出扭矩控制模式并進入電壓控制模式維持母線電壓穩定在44 V附近，48 V系統由正常工作模式順利切入電壓控制跛行模式。

圖6 48 V上電后電池故障激活電壓控制過程

圖7為48 V上電后電池故障激活電壓控制過程，當滿足電壓控制模式退出條件時，VCU控制DC/DC總成停止工作，BSG 電機退出電壓控制模式，并完成放電，電壓控制模式順利退出。

圖7 48 V系統電壓控制模式退出過程

5 結論

本文針對48 V 混合動力系統提出了一種跛行模式電壓控制策略，在滿足約束條件下，利用BSG電機感應電動勢維持系統電壓，通過DC/DC向車輛低壓系統供電，而發動機則負責承擔駕駛員駕駛需求扭矩和電機發電的功率消耗，能夠維持車輛長時間的跛行行駛。

本文還對提出的電壓控制方法進行了實車驗證，試驗表明，車輛能夠順利按照策略進入和退出電壓控制模式，即使在劇烈用電工況下，依然能夠維持系統電壓在正常范圍之內，控制效果良好，保證了車輛的跛行行駛功能。