48V BSG混合動力系統(tǒng)控制策略開發(fā)及試驗研究

劉巨江, 何宇, 連學通

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434)

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48V BSG混合動力系統(tǒng)控制策略開發(fā)及試驗研究

劉巨江, 何宇, 連學通

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434)

傳統(tǒng)內燃機結合48V BSG電機的弱混合動力系統(tǒng)是應對未來油耗法規(guī)的一種高性價比方案，其節(jié)油效果明顯、成本低、開發(fā)難度小。為研究48V BSG混合動力系統(tǒng)對于現(xiàn)有車輛性能的改善效果，對一臺量產SUV進行了改造，在原有的發(fā)動機上加裝了48V BSG電機系統(tǒng)，實現(xiàn)了加速助力、能量回收、發(fā)動機高速起動等混合動力功能。在該車上，對上述混合動力功能的控制策略進行了研究與優(yōu)化，并進行試驗驗證。改造前后的 NEDC循環(huán)測試表明，該系統(tǒng)能夠降低燃油消耗9.1%、THC排放34.3%、NMHC排放35.4%、NOx排放60.6%，并能大幅降低車輛起動的振動噪聲水平，提升車輛動力性。

混合動力系統(tǒng)； BSG； 控制策略

混合動力技術是未來汽車實現(xiàn)節(jié)能減排的關鍵，但目前常見的混合動力汽車都存在著節(jié)油率和經濟性的矛盾。弱混技術的優(yōu)點是起停技術成本低、開發(fā)周期短，但其節(jié)油潛力有限，節(jié)油率為5%～7%；強混技術能夠將整車油耗降低25%以上，但是成本高、系統(tǒng)復雜、量產難度大，短時間內無法大規(guī)模推廣[1-3]。因此，尋找一種能夠有效折中節(jié)油率和經濟性的混合動力方案顯得尤為重要。提高汽車電氣系統(tǒng)的電壓水平，能夠大幅提高弱混方案中電機、電池等部件的能力和效率，從而進一步降低油耗[4-5]。最近，博世、大陸、法雷奧等供應商提出了一種帶有BSG電機(Belt-driven Started Generator)的48V弱混系統(tǒng)[6-7]，發(fā)動機可實現(xiàn)高轉速起停，并具有短時加速助力和制動能量回收功能。該系統(tǒng)可降低整車油耗10%～15%，并優(yōu)化駕駛性和車輛NVH性，而成本增加在6 000元以內[8]，且開發(fā)難度低，是一種很有前景的方案。

本研究在一臺加裝了48V BSG系統(tǒng)的主流SUV上對混合動力系統(tǒng)的控制策略進行優(yōu)化，并通過試驗驗證該系統(tǒng)對整車油耗、駕駛性和NVH性能的優(yōu)化效果。

1 48V BSG混合動力系統(tǒng)

本研究對象為一輛加裝了48V BSG系統(tǒng)的SUV(后文中簡稱48V車)，其原型車為2012年量產的暢銷車型(后文中簡稱原型車)。原型車車輛參數(shù)見表1。

表1 原型車技術參數(shù)

從表1中可以看到，原型車整車質量1 500 kg，NEDC循環(huán)測試100 km燃油消耗量8.2 L，排放滿足國Ⅴ要求，屬于目前乘用車市場中的主流水平，具有研究的典型性。

以該原型車為基礎所改裝的48V車混合動力系統(tǒng)構造見圖1，BSG電機與發(fā)動機用皮帶連接，實現(xiàn)發(fā)動機起動、助力和能量回收的功能，并集成了逆變器；48V鋰離子電池用于直接驅動電機工作或者儲存電機回收的電能；能量轉換器DC/DC用于在新增的48V電網和原車12 V電網間進行電能轉換，平衡電池電量。

BSG電機、DC/DC轉換器、48V電池是48V BSG系統(tǒng)中的三大主要部件，其參數(shù)見表2。

表2 48V BSG系統(tǒng)主要部件參數(shù)

可以看到，BSG電機具備大幅提升動力輸出的能力，但是持續(xù)時間有限;DC/DC能夠高效地進行能量轉換；48V電池的峰值放電功率雖然低于BSG電機的最大功率，但在車輛加速過程中電機轉速低，能夠發(fā)揮出最大扭矩。而在能量回收時，11 kW的峰值充電功率保證了機械能—電能的轉換率。

結合上述部件，該48V車可實現(xiàn)如下功能：

a) 加速助力；

b) 發(fā)動機起停；

c) 發(fā)動機高速起動；

d) 制動能量回收。

其中，加速助力和發(fā)動機高速起動兩項功能的實現(xiàn)需要根據零部件的特性對控制策略進行詳細優(yōu)化。

2 加速助力控制策略

加速助力是BSG電機的重要功能。傳統(tǒng)發(fā)動機在低速段(怠速轉速到2 000 r/min這個區(qū)間)扭矩低、響應滯后，使得車輛加速性能受限。而電機低速扭矩大，響應快，能夠較好彌補發(fā)動機的缺陷。

對于48V 車而言，其助力效果主要受以下幾個因素影響：

1) 電機的工作特性。BSG電機的扭矩-轉速特性曲線決定了當前轉速下能夠獲得的最大扭矩。

2) 電池的荷電狀態(tài)(SOC)。為了保持48V電池維持正常的荷電狀態(tài)，不能過度放電，單次助力的時間不能超過20 s。

因此，需要對車輛加速過程中發(fā)動機扭矩和電機扭矩進行合理分配。

圖2示出48V系統(tǒng)的總扭矩需求計算過程。根據駕駛員踩踏板的深度x，結合當前發(fā)動機轉速n、車速v，判斷出駕駛員的加速需求，查表得到對應的車輛加速度值；再根據車輛動力學模型計算出相應的總扭矩值M。

由于發(fā)動機較電機響應性差，在分配扭矩時應優(yōu)先考慮發(fā)動機扭矩需求的平順性，其邏輯見圖3。

在圖3中，對于給定的總扭矩M，先根據發(fā)動機轉速以及當前電池狀態(tài)查表得到發(fā)動機扭矩，其原則是盡量利用BSG補充的扭矩使得發(fā)動機在過渡過程中的扭矩輸出變化平緩，兼顧整車的動力性和經濟性。

實際應用時，考慮到該值仍然可能出現(xiàn)不連續(xù)的情況，需要對其進行濾波，得到平順的發(fā)動機扭矩需求曲線Men。而用總扭矩M減去發(fā)動機需求扭矩Men就得到BSG電機的需求扭矩MBSG。

對于發(fā)動機需求扭矩Men，其實現(xiàn)的算法如下：

Mcombustion=Men+Mfriction+

Macc+Madaption+Mres。

式中：Mcombustion為發(fā)動機燃燒扭矩；Mfriction為摩擦扭矩；Macc為發(fā)動機附件扭矩；Madaption發(fā)動機自適應補償扭矩；Mres為發(fā)動機預留扭矩。

如上式所示，要得到值為Men的發(fā)動機輸出扭矩，需要的實際發(fā)動機燃燒扭矩應考慮摩擦扭矩、附件扭矩(空調、油泵、水泵等)、自適應補償扭矩以及預留的扭矩。

摩擦扭矩主要根據水溫、轉速、負荷標定，附件扭矩根據各部件的特性參數(shù)進行標定，自適應補償扭矩根據發(fā)動機實際轉速與目標轉速的差值進行積分、濾波后得到，預留扭矩根據發(fā)動機水溫、轉速、負荷、車速、擋位、SOC狀態(tài)確定。

實際執(zhí)行的過程中，以發(fā)動機氣路作為主要的扭矩實現(xiàn)手段，而火路則負責對最終的燃燒扭矩進行微調。

3 發(fā)動機高速起動控制策略

48V車由于BSG電機的加入，能夠實現(xiàn)兩種方式的發(fā)動機起動，一種是原有的起動機拖動起動，即普通起動，另一種是利用BSG電機拖動發(fā)動機起動。由于BSG電機扭矩大、轉速高，能夠將發(fā)動機拖動至1 000 r/min左右再進行噴油、點火，即可實現(xiàn)高速起動。

高速起動具有較好的NVH性，但是需要滿足一定的應用條件，主要包括：

1) 電池SOC值大于電機起動閾值；

2) 電池可輸出功率大于一定值；

3) 電池溫度大于一定值；

4) 電機當前最大可輸出扭矩大于一定值；

5) 發(fā)動機水溫大于一定值；

6) 電機/電池無故障。

由于這種高速起動方式改變了發(fā)動機的起動工況，需要對發(fā)動機的起動控制策略進行調整，以實現(xiàn)經濟性、排放性的優(yōu)化。

3.1 起動過程結束點的識別策略

在發(fā)動機的起動控制中，起動過程結束意味著發(fā)動機進入了自穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，為進入怠速、加速等工況做好了準備，同時，其結束的時間點也為后續(xù)的催化劑加熱控制、氧閉環(huán)控制、空調控制等操作提供了時間參考。

常規(guī)起動往往是以轉速超過某值(約500 r/min)作為起動結束的標志，但對于BSG起動方式來說，當發(fā)動機轉速超過該值時可能發(fā)動機并未著火，從而不能單純以轉速作為起動結束與否的判斷依據。

考慮到發(fā)動機著火時，轉速仍然有一定程度的上升，因此采用噴油次數(shù)結合轉速變化率進行判斷：

式中：Ninject為噴油次數(shù)；Ninj為噴油次數(shù)閾值；n為發(fā)動機轉速；θseg發(fā)動機轉動一個segment對應的角度；A為發(fā)動機在一個segment內轉速變化的參考值，大于等于0。

當發(fā)動機噴油次數(shù)大于等于Ninj，Ninj為起動時發(fā)動機水溫的函數(shù)，且轉速變化率不小于A時，認為發(fā)動機起動結束。

3.2 起動過程的噴油策略

由于油膜的存在，PFI發(fā)動機起動時需要進行加濃，在控制策略中，該過程通過在基礎噴油量上乘以加濃系數(shù)Finj實現(xiàn)。加濃系數(shù)Finj主要通過發(fā)動機水溫、進氣溫度、停機時間進行標定，并利用噴油次數(shù)、轉速進行衰減。

相對于常規(guī)起動，BSG起動有著更高的起動轉速，特別是前4次噴油(對于4缸機)，常規(guī)起動的衰減轉速是200～300 r/min，而BSG起動的衰減轉速輸入是1 000 r/min左右，故如果按照原噴油邏輯及標定數(shù)據，BSG起動的噴油量會比形成油膜所需要的少，故需要對原有的數(shù)據進行重新標定。

3.3 起動過程的進氣量與點火控制策略

BSG起動起始點轉速在1 000 r/min左右，此時進氣壓力已經接近怠速工況下的壓力值，如果保持原起動過程的節(jié)氣門開度，則會出現(xiàn)進氣量過少甚至發(fā)動機轉速下降的情況，故需要對起動過程的節(jié)氣門開度數(shù)據進行標定。相應地，由于進氣量的減少，為了保持充足的起動扭矩，需要大幅提前點火角。

在噴油、點火、節(jié)氣門的重新標定過程中，以發(fā)動機無失火、上沖轉速最大值位于1 300～1 400 r/min之間、起動過程最小空燃比位于0.8～0.9之間、tip-in過程平滑作為通過條件。

4 48V BSG混合動力系統(tǒng)試驗測試與分析

以未改裝的原型車為參照，從油耗、駕駛性、NVH性及排放四方面來對48V BSG系統(tǒng)的優(yōu)化效果進行驗證和分析。

4.1 燃油經濟性測試及分析

為了驗證48V BSG系統(tǒng)的節(jié)油效果，分別用原型車和48V車進行多次NEDC循環(huán)測試，對于48V BSG系統(tǒng)，需保持測試前后48V電池電量相差在3%以內。圖4示出NEDC測試循環(huán)中原型車和48V車的累計CO2排放量變化曲線，可以看到，原型車總的CO2排放量為2 136.5 g，折算后的100 km燃油消耗量為8.2 L；48V車總的CO2排放量為1 942.7 g，較原型車減少193.8 g，折算后的100 km燃油消耗量為7.4 L，相對于原型車油耗降低了9.1%。

4.1.1 起停功能減少的CO2排放量計算

NEDC循環(huán)中有較多的怠速工況，起停功能能夠減少該工況下的油耗。圖5示出兩種車型在NEDC循環(huán)中的CO2瞬時值，可以看到在虛線所示的停機區(qū)間內，48V車的CO2排放瞬時值基本為0，而原型車的CO2排放瞬時值維持在0.6～0.7 g/s，在該區(qū)間對兩者的差值進行積分就得到由于該次停機所帶來的CO2排放減少量，如圖中網格面積所示。對整個測試過程的停機過程進行上述操作，得到如圖6所示的CO2排放減少量。

從圖6中可以看出，在測試初期，雖然有停車的工況，但是由于達不到停機條件，48V 系統(tǒng)未觸發(fā)停機，之后的每次停車都能觸發(fā)停機。整個測試過程減少的CO2排放共105.8 g，折算后的油耗減少4.9%。

4.1.2 工況點優(yōu)化減少的CO2量計算

從圖7可以看到，整個測試過程在加速工況中減少的CO2排放量一共80.1 g，折算后的油耗減少3.7%。

4.1.3 能量回收過程分析

由于48V電池在測試前后需保持電量一致，所以需對整個測試過程的能量回收情況進行分析。

從圖8可以看到，加速時BSG進行助力，電池電量急劇下降(如右邊虛線圈所示)，減速時電池電量快速上升(如左邊虛線圈所示)，說明BSG電機正利用車輛的動能為電池充電。測試過程初始電量為47.5%，結束電量為45.5%，電池電量下降了2%，可認為電池電量保持平衡。

總的來說，起停功能和加速助力功能貢獻了絕大部分的油耗減少量(8.6%)，同時，該系統(tǒng)利用能量回收功能，能夠保持測試前后電量平衡。

4.2 加速性能測試及分析

BSG電機的加速助力不僅僅能夠降低加速工況的油耗，同時能夠提高車輛的加速性能。對于48V車，其加速性能的改善主要體現(xiàn)在高擋位加速的工況(該車型為手動變速箱，在一擋、二擋時BSG電機尚未發(fā)揮最大扭矩即需要換擋，加速性能的提升不明顯)，測試中主要模擬三擋/四擋超車加速的工況。

圖9示出原型車和48V車在三擋時從40 km/h加速到60 km/h所消耗的時間，兩者都是全油門狀態(tài)，原型車耗時4.9 s，48V車耗時3.7 s，縮短了1.2 s。

圖10示出原型車和48V車在四擋時從60 km/h加速到90 km/h所消耗的時間，兩者都是全油門狀態(tài)，原型車耗時13.1 s，48V車耗時11.1 s，縮短了2 s。

可以看到，BSG電機能夠在高擋位加速過程中發(fā)揮較為明顯的作用，提高了高車速下加速過程的駕駛樂趣。

4.3 起動過程振動噪聲測試及分析

相對于原型起動機，BSG電機扭矩大、轉速高，能夠非常平穩(wěn)地將發(fā)動機轉速提高到1 000 r/min左右，縮短起動時間并提升起動過程的NVH性。圖11示出普通起動及高速起動的過程對比。原型車起動時須先由起動機拖動到200～300 r/min，在該轉速下進行同步、噴油、點火，著火后轉速急劇上升至1 400 r/min左右。由于轉速低，同步過程慢，各缸的噴油、點火時間間隔大，出現(xiàn)了約0.5 s時長的轉速平臺，導致整個起動過程耗時較長，且起動機與發(fā)動機通過齒盤傳動，轉動過程噪聲較大。

利用BSG電機起動時，能夠直接將發(fā)動機拖動至1 000 r/min左右，這個轉速下，發(fā)動機從同步到著火需要的時間非常短，使得發(fā)動機轉速能夠繼續(xù)平滑上升，基本沒有低轉速起動時出現(xiàn)的轉速平臺，所以較原型車起動達到起動轉速峰值的時間縮短了0.5 s，極大地提高了起動速度，同時，由于BSG電機與發(fā)動機使用皮帶傳動，起動噪聲很小。

圖12示出使用兩種不同的起動方式時，駕駛艙內人員接收到的噪聲水平對比，可以看到，使用BSG電機進行高速起動能夠將駕駛員右耳接收到的起動噪聲最大峰值從57 dB降低到52.7 dB，將右后乘員的左耳接收到的起動噪聲最大峰值從57.7 dB降低到52.8 dB。

圖13示出兩種起動過程對應的起動振動情況對比，選用了對駕駛員影響較為明顯的方向盤振動RSS值和座椅導軌振動RSS值進行測試。可以看到，使用BSG電機起動能夠將方向盤的振動RSS值從1.8 m/s2降低到1.3 m/s2，降低了28%，座椅導軌的振動RSS值從0.8 m/s2降低到0.3 m/s2，降低了62.5%。

綜上，使用BSG電機起動能夠使得起動過程平順、迅速，避免了原型起動過程中的轉速平臺，同時大幅降低起動過程的噪聲、振動水平，提升了發(fā)動機起動的NVH性，從而提高了起動品質。

4.4 排放測試及分析

原型車及48V車的NEDC排放測試結果如見表3?？梢钥吹?，原型車及48V車排放結果都滿足了國Ⅴ限值，其中，48V車相對原型車THC減少34.3%，NMHC減少35.4%，NOx減少60.6%。

表3 NEDC排放測試結果

4.4.1 THC及NMHC排放結果分析

THC主要產生于發(fā)動機起動至進入空燃比閉環(huán)控制的這段時間，如圖14所示，在該階段，48V車的THC排放較原型車大幅降低，其原因為48V車起動轉速高，需要的進氣量少，相應的噴油量減少，即THC排放的基數(shù)減少了，同時該轉速下發(fā)動機更易著火，可以減少加濃量，進一步減少了THC排放。NMHC排放降低的原因同上。

4.4.2 NOx排放結果分析

圖15示出整個測試過程原型車和48V車NOx排放瞬時值的對比，可以看到，與48V車相比，原型車的NOx瞬時值出現(xiàn)了較多的尖峰，其中除字母所標示的4處較小的尖峰外，其余的尖峰均產生于加速過程，即車輛加速過程中NOx排放差異是造成NOx排放結果改善的主要原因。

NOx產生于高溫、富氧的條件，原型車加速時工作在大負荷的工況，滿足NOx大量產生的條件，所以NOx排放較多，而48V車由于BSG助力的存在，使得發(fā)動機的負荷減小，工況優(yōu)化，從而大幅減少NOx排放。

5 結論

在一臺加裝了48V BSG系統(tǒng)的SUV上對其加速助力及發(fā)動機高速起動的控制策略進行優(yōu)化，并進行了NEDC測試，測試結果表明，相比于原型車，48V BSG系統(tǒng)有以下效果：

a) 降低油耗9.1%，其中4.9%由起停功能貢獻，3.7%來源于加速過程中發(fā)動機工況的改善；

b) 提升車輛的加速性能，特別是三擋、四擋時的高車速加速;

c) 起動品質大幅提升，起動時間縮短了0.5 s，起動噪聲平均降低4.6 dB，起動帶來的振動大幅降低;

d) 由于起動過程的改善，THC及NMHC排放減少了34.3%和35.4%；加速工況的優(yōu)化，使NOx排放減少了60.6%。

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[編輯: 李建新]

Development and Experimental Study on Control Strategy of 48V BSG Hybrid System

LIU Jujiang， HE Yu, LIAN Xuetong

(Guang Zhou Automobile Group Automotive Engineering Institute， Guangzhou 511434， China)

The micro-hybrid system that integrates conventional internal combustion engine with 48V BSG motor is a cost-effective solution to deal with future fuel consumption regulation with better fuel saving effect, low cost and small developing difficulty. In order to study the effect of micro-hybrid system on vehicle performance, 48V BSG motor was added to the original engine equipped with mass production SUV to realize the hybrid function of aided acceleration, energy recovery and high speed engine start. The control strategy of hybrid system was optimized and verified on the vehicle. NEDC test results show that the system can reduce fuel consumption, THC, NMHC,and NOxemission by 34.3%, 9.1%, 35.4% and 60.6% respectively. Meanwhile, the system can significantly reduce the vibration and noise level during engine start and improve the power performance of the vehicle.

hybrid system； BSG； control strategy

2015-09-06;

2016-04-01

劉巨江(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事發(fā)動機整機開發(fā)和發(fā)動機控制策略研究；liujj@gaei.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.008

U464.142

B

1001-2222(2016)04-0044-07