48V微混動(dòng)力系統(tǒng)功能分析及仿真研究

張?zhí)鞆?qiáng) 伍慶龍

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：8V微混汽車 動(dòng)力系統(tǒng) 系統(tǒng)功能 CRUISE

縮略語

BMS Battery Management System（電池管理系統(tǒng)）

BSG Belt-driven Starter/Generator（啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)）

CAN Controller Area Network（控制器局域網(wǎng)）

DC/DC Direct Current to Direct Current converter(直流轉(zhuǎn)換器)

ECO mode Economy mode（經(jīng)濟(jì)模式）

EUDC Extra Urban Driving Cycle（市郊循環(huán)工況）

HCUHybrid Control Unit（整車控制器）

IC Instrument Cluster（組合儀表）

MCUMotor Control Unit（電機(jī)控制器）

NEDC New European Driving Cycle（新歐洲汽車循環(huán)工況）

SOC State Of Charge（電池電量）

UDC Urban Driving Cycle（市區(qū)循環(huán)工況）

1 引言

當(dāng)前，為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境問題，各國油耗法規(guī)日趨嚴(yán)格，混合動(dòng)力汽車在節(jié)能和環(huán)保方面的優(yōu)勢已經(jīng)越來越引起人們的關(guān)注[1]。強(qiáng)混和中混的混合動(dòng)力汽車由于增加了電機(jī)動(dòng)力源[2]，雖然能較大程度降低油耗和排放，但其成本相對(duì)傳統(tǒng)車增加較多。48V系統(tǒng)作為一種有效的節(jié)能技術(shù)，不僅能有效降低油耗和減少CO2排放[3]，且因其成本相對(duì)較低而受到了各界的關(guān)注。同時(shí)，采用48V系統(tǒng)使得車輛可以承載功率更高的電氣系統(tǒng)[4]，帶來了汽車市場的改變和增量。國內(nèi)外已經(jīng)有一些汽車產(chǎn)商推出了量產(chǎn)的48V車型，比如奔馳C260L、奧迪A6L、長安逸動(dòng)和吉利博瑞，這些車型均有搭載48V系統(tǒng)的配置供消費(fèi)者選購。

為了使某款車型在開發(fā)制造初期更好地匹配48V系統(tǒng)，有必要使用仿真軟件對(duì)預(yù)搭載48V系統(tǒng)的汽車進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真研究，以起到先期預(yù)測的作用。本文針對(duì)48V系統(tǒng)進(jìn)行了構(gòu)型方案及功能分析，基于改造的某款48V微混汽車建立了整車及各部件系統(tǒng)的模型，對(duì)整車的動(dòng)力性及油耗經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真，并與其傳統(tǒng)原型車輛進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，車輛搭載48V系統(tǒng)后不僅動(dòng)力性有所提升，燃油經(jīng)濟(jì)性也有了較大改善。

2 48V動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

2.1 48V系統(tǒng)構(gòu)型方案

在進(jìn)行混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案的選擇時(shí)，綜合考慮零部件成本、開發(fā)周期及技術(shù)難度等方面，選用48V系統(tǒng)能同時(shí)兼顧節(jié)油效率及終端車型價(jià)格，是一種有效的折中技術(shù)路線方案，同時(shí)在行業(yè)上，48V系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的配套能力已具有一定的基礎(chǔ)。采用主流的BSG電機(jī)方案，在系統(tǒng)成本、傳統(tǒng)總成通用性和整車可搭載性等方面優(yōu)勢較明顯，并能與傳統(tǒng)車型共平臺(tái)開發(fā)。

48V動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、BSG（Beltdriven Starter/Generator）啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)、動(dòng)力電池組、12V蓄電池、傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)、DC/DC(Direct Current to Direct Current converter)直流轉(zhuǎn)換器以及相應(yīng)的控制器等組成，動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案如下圖1所示。

圖1 48V微混動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

本文所述搭載48V系統(tǒng)車輛是在傳統(tǒng)車基礎(chǔ)上進(jìn)行的微混合動(dòng)力化改造，其功能樣車外觀如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車特有的一些功能，在傳統(tǒng)車基礎(chǔ)上增加了BSG電機(jī)和動(dòng)力電池組。通過BSG電機(jī)的輔助，在保證整車動(dòng)力性能的前提下，可優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域，同時(shí)在滑行和制動(dòng)階段，48V系統(tǒng)能有效進(jìn)行能量回收，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中。通過48V系統(tǒng)特有的功能來降低油耗與排放，實(shí)現(xiàn)整車節(jié)能減排的目標(biāo)。

2.2 48V系統(tǒng)電氣拓?fù)?/h3>

48V系統(tǒng)的電氣架構(gòu)配置一部分是沿用傳統(tǒng)車的12V電氣網(wǎng)絡(luò)，另一部分是增加了48V電氣網(wǎng)絡(luò)。48V系統(tǒng)的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖3所示，其中BSG電機(jī)總成內(nèi)部主要包括電機(jī)本體、逆變器及MCU控制器，在電氣上需要連接48V電池的正負(fù)極。48V電池總成內(nèi)部主要由鋰離子電池單體、電池管理系統(tǒng)BMS及相關(guān)電氣附件組成，48V電池總成在電氣上需要引出正負(fù)極供外部用電裝置使用。DC/DC總成的主要功能是進(jìn)行48V電池與12V電池之間的電壓轉(zhuǎn)換，在電氣上需要連接48V電池的正負(fù)極以及12V電池的正負(fù)極。

圖3 48V動(dòng)力系統(tǒng)電氣拓?fù)?/p>

48V系統(tǒng)中BSG電機(jī)及動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)需要滿足相應(yīng)的電壓等級(jí)定義，具體描述如下。

（1）觸電保護(hù)：當(dāng)電壓大于60 V時(shí)，需要進(jìn)行高壓觸電保護(hù)。

（2）過壓保護(hù)：當(dāng)電壓范圍為54 V～58 V時(shí)，需進(jìn)行過壓保護(hù)，且應(yīng)有存儲(chǔ)記錄以備檢查。

（3）功能限制的高電壓范圍：當(dāng)電壓范圍為52 V～54 V時(shí)，48V系統(tǒng)部分功能受限。

（4）正常電壓范圍：當(dāng)電壓范圍為52 V～54 V時(shí)，48V系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全部功能。

（5）功能限制的低電壓范圍：當(dāng)電壓范圍為24 V～36 V時(shí)，屬于暫時(shí)允許的可恢復(fù)電壓。

（6）低電壓范圍：當(dāng)電壓范圍為20 V～24 V時(shí)，需進(jìn)行欠壓保護(hù)，且應(yīng)有存儲(chǔ)記錄以備檢查。

（7）低壓保護(hù)：當(dāng)電壓低于20 V時(shí)，需要進(jìn)行低壓電氣保護(hù)。

3 48V動(dòng)力系統(tǒng)功能分析

3.1 48V系統(tǒng)模式分析

相對(duì)于傳統(tǒng)車，搭載48V系統(tǒng)的車輛兼具動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)特有的混合動(dòng)力功能，系統(tǒng)運(yùn)行模式主要包括智能起停模式、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模式、怠速充電模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式、行駛充電模式、能量回收等，以下分別對(duì)各模式的功能進(jìn)行描述。

（1）智能停機(jī)模式：在車輛行駛過程中，駕駛員踩制動(dòng)踏板使車輛靜止，動(dòng)力系統(tǒng)滿足停機(jī)條件后，控制發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

（2）智能起機(jī)模式：車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，動(dòng)力系統(tǒng)滿足起機(jī)條件后，由BSG電機(jī)拉動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火啟動(dòng)。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模式：車輛從靜止?fàn)顟B(tài)到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，電池SOC足夠多，不需要對(duì)電池進(jìn)行充電，只需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速模式。

（4）怠速充電模式：車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，若發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)條件未滿足，電池SOC不夠，則控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速發(fā)電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)維持在怠速點(diǎn)，電機(jī)處于發(fā)電。

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式：車輛處于行駛狀態(tài)，變速桿位于D或R擋，電池SOC處于正常范圍，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)效率較高，則控制發(fā)動(dòng)機(jī)直接進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

（6）聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式：車輛處于行駛狀態(tài)，變速桿位于D或R擋，駕駛員有較大的加速需求，電池SOC高于某一值，電機(jī)可進(jìn)行助力，則控制動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，整車驅(qū)動(dòng)行駛的動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)。

（7）行車充電模式：車輛處于行駛狀態(tài)，變速桿位于D或R擋，電池SOC過低，則控制車輛進(jìn)入行車充電，整車驅(qū)動(dòng)行駛的動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。

（8）能量回收模式：在車輛滑行或制動(dòng)的過程中，變速桿位于D或R擋，控制電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)能量回收。

在不同的48V系統(tǒng)運(yùn)行模式下，各總成部件的狀態(tài)是不同的，對(duì)各模式下的總成工作狀態(tài)進(jìn)行了分析，如表1所示。

3.2 車輛駕駛模式分析

在本文所述的匹配48V系統(tǒng)的功能樣車上設(shè)計(jì)了3種駕駛模式，包括正常模式（Normal mode）、經(jīng)濟(jì)模式（ECO mode）、運(yùn)動(dòng)模式（Sport mode）。正常模式的功能設(shè)計(jì)是兼顧車輛的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，且電機(jī)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和電附件的使用功率均不受限。經(jīng)濟(jì)模式的功能設(shè)計(jì)主要為實(shí)現(xiàn)車輛最佳的經(jīng)濟(jì)性，且空調(diào)系統(tǒng)處于節(jié)能模式，座椅加熱功能均關(guān)閉。運(yùn)動(dòng)模式的功能設(shè)計(jì)主要為實(shí)現(xiàn)車輛最佳的動(dòng)力性，部分用電器件的功率會(huì)做一些調(diào)整，整車要以較大的動(dòng)力扭矩輸出為主。用戶可以根據(jù)實(shí)際道路及駕駛工況選擇合適的模式。3種駕駛模式的對(duì)比分析如表2所示。

表1 不同系統(tǒng)模式下的總成狀態(tài)

表2 駕駛模式對(duì)比分析

3.3 混動(dòng)能量流及駕駛模式顯示

為進(jìn)一步增加人機(jī)界面交互，基于48V汽車不同的混合動(dòng)力系統(tǒng)模式及車輛駕駛模式，可以設(shè)計(jì)出不同的儀表顯示方案，以提高用戶的駕乘體驗(yàn)。在48V動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，整車控制器HCU（Hybrid Control Unit）在實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制策略模型之后，把混動(dòng)模式能量流顯示和駕駛模式顯示信號(hào)發(fā)給組合儀表IC（Instrument Cluster），然后IC進(jìn)行對(duì)應(yīng)的模式信息顯示。CAN總線上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)的收發(fā)形式如圖4所示，具體的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)設(shè)計(jì)見表3。

當(dāng)IC收到HCU發(fā)送的混動(dòng)能量流信號(hào)時(shí)，根據(jù)信號(hào)中的Value值顯示某一種系統(tǒng)模式的能量流，比如在聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式下，IC應(yīng)能顯示出發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行、電機(jī)輸出扭矩及電池放電的能量流狀態(tài)。當(dāng)IC收到HCU發(fā)送的駕駛模式信號(hào)時(shí)，根據(jù)信號(hào)中的Value值顯示某一種駕駛模式，比如E、N或S。模式顯示設(shè)計(jì)有利于駕駛員更直觀地了解到當(dāng)前動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 能量流及駕駛模式信號(hào)收發(fā)

表3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)

4 基于CRUISE建模與仿真

在CRUISE仿真軟件中，進(jìn)行48V動(dòng)力系統(tǒng)各部件模型的建立，基于上述功能分析完成控制策略建模，包括行駛控制模式、發(fā)動(dòng)機(jī)起停、換擋控制以及扭矩分配等策略模塊，并利用仿真軟件對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算。建立的48V動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。該48V微混汽車整車相關(guān)參數(shù)見表4，各動(dòng)力總成部件參數(shù)見表5。

根據(jù)48V微混整車及動(dòng)力系統(tǒng)各部件參數(shù)在CRUISE軟件中進(jìn)行模型搭建，并采用NEDC典型循環(huán)工況進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算。NEDC工況譜如下圖6所示，具體工況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386—2017[5]。

圖5 48V微混汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型

表4 48V微混汽車整車相關(guān)參數(shù)

NEDC試驗(yàn)循環(huán)工況由4個(gè)市區(qū)循環(huán)（UDC）和1個(gè)市郊循環(huán)（EUDC）工況組成，試驗(yàn)距離為11.022 km，時(shí)間為1 180 s。市區(qū)循環(huán)用于模擬傳統(tǒng)的城市道路工況，每1個(gè)市區(qū)循環(huán)工況都包括了加速、減速、勻速和怠速4種工況，4個(gè)市區(qū)循環(huán)工況持續(xù)時(shí)間為780 s，理論行駛距離為4.067 km。市郊循環(huán)工況用于模擬市郊道路工況，持續(xù)時(shí)間為400 s，理論行駛距離為6.956 km，最高車速為120 km/h。

表5 動(dòng)力系統(tǒng)主要部件參數(shù)

圖6 NEDC試驗(yàn)循環(huán)工況譜

表6 動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真對(duì)比

圖7 車輛燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

圖8 車輛百公里加速對(duì)比

圖9 BSG電機(jī)起動(dòng)過程分析

基于CRUISE軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真結(jié)果對(duì)比如表6所示，相對(duì)于傳統(tǒng)型車，匹配48V動(dòng)力系統(tǒng)的車型具有明顯的動(dòng)力性提升和燃料經(jīng)濟(jì)性改善效果。如圖7及圖8所示，對(duì)于NEDC工況下的節(jié)油率，該款48V系統(tǒng)汽車相對(duì)傳統(tǒng)車型百公里油耗可降低約12%，百公里加速時(shí)間可減少約1 s。另外，因48V動(dòng)力系統(tǒng)采用BSG作為啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)，在車輛起動(dòng)時(shí)利用BSG電機(jī)拉動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠大大提高平順性，縮短起動(dòng)時(shí)間，如圖9所示，在0.3～0.5 s時(shí)間內(nèi)通過BSG電機(jī)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速拉升至怠速區(qū)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)。同時(shí)能較大程度地降低車輛起動(dòng)時(shí)的振動(dòng)噪聲水平，使得車輛舒適性得到進(jìn)一步提升。

5 結(jié)論

作為未來汽車節(jié)能減排的混合動(dòng)力技術(shù)，48V微混系統(tǒng)是一種能夠有效折中節(jié)油率和經(jīng)濟(jì)成本的混合動(dòng)力系統(tǒng)方案。48V系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)有效起停，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)效率區(qū)域，具有電機(jī)助力和制動(dòng)能量回收等功能，可降低整車油耗及CO2排放，提升車輛的NVH性能，是一種比較有前景的微混合動(dòng)力系統(tǒng)方案。

本文通過介紹48V微混動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型方案，分析了48V微混汽車的系統(tǒng)功能和駕駛模式等控制策略，基于CRUISE軟件，在一輛改裝后的48V微混系統(tǒng)功能樣車上進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，結(jié)果表明，匹配48V系統(tǒng)的汽車在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面更具優(yōu)勢。在樣車設(shè)計(jì)開發(fā)階段，利用仿真軟件進(jìn)行計(jì)算研究，具有一定的借鑒和參考意義。