基于Cruise的48V系統(tǒng)控制策略仿真研究

于志強 沈鐵軍 安月強 譚傳瑞 王樹人

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：48 V系統(tǒng) BSG電機 Cruise 控制策略

1 前言

隨著油耗和排放法規(guī)的限制越來越嚴格，節(jié)能減排已從政策層面演化為每個車企的技術要求[1-2]。因此各種混合動力和純電動技術得到快速發(fā)展，其中48 V輕混系統(tǒng)具有怠速起停、制動能量回收、動力輔助、滑行起停等幾種工作模式[3]，此外，還具有點火時間更短、起動時噪聲和振動更小、駕乘人員感覺更加舒適[1]、高功率附件可實現(xiàn)電動化、發(fā)動機損耗低等優(yōu)勢而受到廣泛重視。

本文研究了48 V 系統(tǒng)的控制策略，根據(jù)某傳統(tǒng)車利用Cruise 軟件建立了48 V 系統(tǒng)P0 架構的仿真模型，實現(xiàn)怠速起停、制動能量回收和動力輔助功能，并將48 V系統(tǒng)的節(jié)油效果與基礎車進行比較。

2 48 V系統(tǒng)組成

48 V 系統(tǒng)針對傳統(tǒng)內(nèi)燃機進行電氣化改造，增加了48 V電池、DC/DC轉換器，利用皮帶傳動起動/發(fā)電一體化電機（Belt-driven Starter/Generator，BSG）實現(xiàn)起停、制動能量回收、動力輔助等功能。水泵、油泵、空調壓縮機等外圍組件由高功率電機驅動，而不再需要內(nèi)燃機通過皮帶直接驅動，從而降低發(fā)動機機械損耗。48 V BSG方案系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 48 V BSG方案系統(tǒng)組成

3 48 V系統(tǒng)功能及控制策略

3.1 48 V系統(tǒng)功能

48 V系統(tǒng)具有如下5種功能（工作模式見圖2）：

a.怠速起停（Start-Stop），車輛靜止狀態(tài)下，發(fā)動機處于關閉狀態(tài)，48 V 大容量電池儲存的能量維持車載電器的正常運行，發(fā)動機可以隨時快速起動。

b.制動能量回收（Regeneration），將動能轉化為電能，并儲存在電池中，此時BSG作為發(fā)電機。

c.動力輔助（Boost），在加速階段，電機的輔助動力彌補發(fā)動機動力的不足，此時BSG作為電動機。

d.巡航（Cruise），車輛等速行駛時，在電池電量充足的情況下，關閉發(fā)動機噴油系統(tǒng)，依靠電機來維持車輛運行。電機提供的動力用于克服行駛阻力和發(fā)動機的摩擦功。P2 架構在高速巡航時可以關閉發(fā)動機，僅靠電機保持車輛巡航。再次踩下油門踏板時，發(fā)動機迅速起動，平滑切入當前車速。

e.滑行起停（Coasting），松開油門踏板后，離合器斷開發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的機械連接，徹底關閉發(fā)動機，實現(xiàn)更長距離的行駛，相當于傳統(tǒng)車輛的空擋滑行，但傳統(tǒng)車輛滑行時發(fā)動機依然需要噴油維持運轉。

圖2 48 V系統(tǒng)工作模式示意

針對上述48 V系統(tǒng)功能，本文制定了怠速起停、制動能量回收和動力輔助的Simulink控制策略。

3.2 怠速起停控制策略

影響發(fā)動機怠速起停的主要因素有起停開關狀態(tài)、油門踏板行程Sacc、最小可檢測踏板行程Smin、車速v、電池SOC、發(fā)動機水溫Tw等，怠速起停控制策略如圖3所示。

圖3 怠速起停控制流程

3.3 制動能量回收控制策略

制動能量回收策略根據(jù)制動踏板和制動輪缸是否解耦分為解耦控制和非解耦控制。本文選用解耦控制，通過算法智能分配電機回饋制動和液壓制動，且電機回饋制動有較高優(yōu)先級。影響制動能量回收的主要因素有制動油壓Pb、車速v、制動減速度ab、電池SOC等[4]，控制流程如圖4所示。

圖4 制動能量回收控制流程

3.4 動力輔助控制策略

動力輔助控制策略依據(jù)油耗最低的目標進行設定，首先定義最佳燃油消耗率曲線，如圖5 所示，然后根據(jù)發(fā)動機需求扭矩與最佳燃油消耗率曲線的關系對車輛加速過程中發(fā)動機扭矩和電機轉矩進行合理分配。影響動力輔助的主要因素有油門踏板行程Sacc、發(fā)動機轉速n、發(fā)動機經(jīng)濟扭矩Teco、發(fā)動機需求扭矩Tre、車速v、SOC等，控制流程如圖6所示。

圖5 最佳燃油消耗率曲線示意

圖6 動力輔助控制流程

3.5 48 V系統(tǒng)Simulink控制策略

根據(jù)上述控制流程搭建48 V 系統(tǒng)Simulink 控制策略如圖7所示。

4 控制策略驗證模型

本文以某傳統(tǒng)車為基礎車，利用AVL Cruise仿真軟件搭建整車、發(fā)動機、變速器、電機、電池及控制策略模型，模型輸入?yún)?shù)如表1所示，仿真模型如圖8所示。

Cruise 軟件和MATLAB 聯(lián)合仿真方式有DLL、API、Interface 等方式，每種方式有各自的優(yōu)缺點，其中較為常用的是DLL 和Iterface 方式，本文采用DLL 方式進行聯(lián)合仿真，仿真設置步驟大體分為策略接口定義、策略編譯、模型接口設置和總線連接。

圖7 48 V系統(tǒng)Simulink控制策略

表1 模型輸入?yún)?shù)

圖8 仿真分析模型

5 仿真結果分析

5.1 控制策略功能驗證

5.1.1 怠速起停功能

怠速起停功能仿真結果如圖9所示：在循環(huán)工況第188 s 時，車速減為0，發(fā)動機起停信號Start_Switch 由起動狀態(tài)1變?yōu)橥C狀態(tài)0，實現(xiàn)怠速停機，發(fā)動機轉速為0；在循環(huán)工況第206 s 時，隨著油門踏板被踩下，Start_Switch由0變?yōu)?，發(fā)動機起動。

5.1.2 制動能量回收功能

制動能量回收功能仿真結果如圖10 所示：在制動減速過程中，BSG扭矩為負值，表示工作在發(fā)電機狀態(tài)，此時電池SOC增大；在循環(huán)工況的第155～163 s減速段，制動能量全部由電機回收，機械制動力矩為0；在循環(huán)工況的第176～187 s減速段，制動能量部分由電機回收，不足的由機械制動補償。

圖9 怠速起停功能驗證結果

圖10 制動能量回收功能驗證結果

5.1.3 動力輔助功能

動力輔助功能仿真結果如圖11 所示，在加速過程中，當發(fā)動機需求扭矩大于經(jīng)濟扭矩時，BSG介入，電機扭矩為正值，表示為動力輔助狀態(tài)，此時電池SOC減小。

圖11 動力輔助功能驗證結果

5.2 NEDC工況節(jié)油效果

NEDC 工況基礎車油耗7.2 L/100 km，怠速起停方案油耗6.7 L/100 km，48 V 方案油耗6.3 L/100 km，相比基礎車型怠速起停方案和48 V方案燃油消耗量分別下降6.9%和12.5%。

瞬時油耗結果對比如圖12 所示，仿真前、后電池SOC平衡：車輛起動后的前2 個怠速段沒有停機，是因為水溫條件未達到停機條件，后面的怠速段全部實現(xiàn)停機，瞬時油耗為0；在加速段，電機進行動力輔助，電池SOC減小，瞬時油耗小于基礎車；在減速段，電機進行能量回收，電池SOC增大，與基礎車型相比，瞬時油耗沒有變化。

圖12 NEDC工況瞬時油耗對比

6 結束語

本文討論了48 V 系統(tǒng)常用工作模式，建立了48 V系統(tǒng)怠速起停、制動能量回收和動力輔助的Simulink控制策略，基于AVL Cruise 軟件建立了某車型的48 V 系統(tǒng)控制策略的驗證模型，通過Cruise和MATLAB聯(lián)合仿真的形式對控制策略的功能和48 V的節(jié)油效果進行了驗證，結果表明48 V系統(tǒng)控制策略實現(xiàn)了怠速起停、制動能量回收和動力輔助的功能，在NEDC工況下相比基礎車有12.5%的節(jié)油潛力。