48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究

王建勛 辛海霞 方立輝 郭鳳男 王琦

摘 要：為驗(yàn)證48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能效果，論文對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了48VBSG電機(jī)的搭載，設(shè)計(jì)控制策略實(shí)現(xiàn)智能起停、電機(jī)助力和制動(dòng)能量回收等混動(dòng)功能，并在動(dòng)力總成臺(tái)架上完成48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)，48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠明顯改善燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，NEDC循環(huán)測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)7.4%節(jié)油效果，百公里加速時(shí)間減少2s。

關(guān)鍵詞：48V BSG電機(jī);混合動(dòng)力;控制策略

中圖分類號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-73-04

The Study of 48 VBSG hybrid system control strategy

Wang Jianxun， Xin Haixia， Fang Lihui， Guo Fengnan， Wang Qi

（Center of Technology， Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co.， Ltd， Heilongjiang Harbin 150060）

Abstract： To test and verify the performance effect of 48 VBSG hybrid system， the traditional power system the carrying 48 VBSG motor， control strategy design intelligent start-stop， hybrid functions such as motor power and braking energy recovery， and complete on powertrain test bench 48 VBSG economy and power performance of the hybrid system verification. Experimental results show that compared with the traditional power system， 48 VBSG hybrid system can significantly improve fuel economy and power performance， NEDC cycle test can achieve 7.4% Fuel consumption effect， Hundreds of kilometers acceleration time reduce 2s.

Keywords： 48V BSG ; Hybrid? power; Control strategy

CLC NO.： U463.5? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-73-04

1 引言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題，混合動(dòng)力技術(shù)是實(shí)現(xiàn)未來(lái)汽車節(jié)能減排的有效途徑，在國(guó)家政策的大力支持和引導(dǎo)下，各大車廠紛紛推出各自的混合動(dòng)力車型。強(qiáng)混合動(dòng)力汽車可以達(dá)到25%的節(jié)油效果，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)油率兩者之間的平衡是其能夠快速、大范圍推廣的關(guān)鍵。48VBSG系統(tǒng)弱混合動(dòng)力汽車具有改動(dòng)小，成本低，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)油效果在10%-15%之間，是傳統(tǒng)汽車向新能源汽車過(guò)渡的優(yōu)選方案，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。目前，對(duì)48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的研究主要集中在起?？刂?，對(duì)其他工作模式控制策略的研究仍不全面。本研究將市面上一臺(tái)主流汽車的傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)改裝成48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)（48V系統(tǒng)），對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式和控制策略進(jìn)行了研究，并在動(dòng)力總成臺(tái)架上驗(yàn)證了經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性優(yōu)化效果。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作模式

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。BSG電機(jī)為起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)，固定在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端，通過(guò)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)輪系連接，取代了傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)。同時(shí)配置電機(jī)控制器和48V電池，DC/DC及相關(guān)電壓網(wǎng)絡(luò)，48V電池除給電機(jī)供電外，還可通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換后供車載附件用電。系統(tǒng)中保留了傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)存在兩種方式，首選BSG電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)不滿足BSG起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的觸發(fā)條件，如環(huán)境溫度過(guò)低、電池能力不足或BSG電機(jī)故障等情況下，則采用傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)完成發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，增加系統(tǒng)的可靠性。

BSG電機(jī)和48V電池的主要參數(shù)分別如表1、表2所示：

2.2 系統(tǒng)工作模式

48V系統(tǒng)在傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增的工作模式有：（1）智能起停，（2）電機(jī)助力，（3）制動(dòng)能量回收。48V系統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)圖如圖2所示，各工作模式之間的跳轉(zhuǎn)依據(jù)相應(yīng)的觸發(fā)條件，當(dāng)條件滿足時(shí)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的工作模式。

3 混動(dòng)工作模式控制策略

3.1 智能起停工作模式

3.1.1 怠速工況分析

在NEDC法規(guī)測(cè)試工況中，怠速工況的總時(shí)間為280s，占整個(gè)循環(huán)工況23.7%，怠速工況如果關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，理論上可以實(shí)現(xiàn)3%-5%的節(jié)油效果。隨著中國(guó)汽車的擁有量逐年增加，城市交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重，采用智能起?？刂剖菧p少油耗的有效手段。

3.1.2 怠速工況分析

本研究中動(dòng)力系統(tǒng)搭載的是手動(dòng)變速器，駕駛員對(duì)離合器踏板的操作是實(shí)現(xiàn)智能起停功能的條件之一。

在車輛減速進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況，滿足即停的基本條件時(shí)，駕駛員松開(kāi)離合器踏板，即可觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)，圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制過(guò)程。

當(dāng)車輛需要再次起步，滿足即起的基本條件時(shí)，駕駛員踩下離合器踏板，即可觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)立即起動(dòng)，圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制過(guò)程。BSG電機(jī)快速拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至800rpm轉(zhuǎn)速附近，然后控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油和點(diǎn)火，避過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)噴油加濃階段。相比于傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式可以節(jié)約起動(dòng)時(shí)的燃油消耗，且明顯縮短起動(dòng)的時(shí)間。

速降至420rpm～480rpm，而后根據(jù)電子泵建立油壓的特性，為了穩(wěn)定油壓，再以20rpm的步長(zhǎng)上升至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速一般在500rpm左右。

3.2 電機(jī)助力工作模式

3.2.1系統(tǒng)扭矩特性

由圖5為傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線和增加BSG電機(jī)后48V系統(tǒng)的外特性曲線。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)慢，在2000rpm以下的低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，輸出扭矩低，高轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)輸出扭矩高。而電機(jī)扭矩響應(yīng)快，低速扭矩大，高速扭矩小。由于電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩者之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，結(jié)合后可以極大拓展動(dòng)力系統(tǒng)低速區(qū)的動(dòng)力性能，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均保持大扭矩輸出。

3.2.2 電機(jī)助力控制策略

對(duì)于48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)，總驅(qū)動(dòng)扭矩可以表述為：

（1）

其中，Tdrive為驅(qū)動(dòng)扭矩;Tengine為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩;Tmotor為電機(jī)扭矩;i為電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)速比;Taccessory為發(fā)動(dòng)機(jī)附件扭矩;Tfriction為摩擦損失扭矩。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低速高負(fù)荷高燃油消耗區(qū)域內(nèi)，BSG電機(jī)盡可能多參與工作，可以提升燃油經(jīng)濟(jì)性。而電機(jī)助力能力受48V電池電量和電機(jī)工作狀態(tài)的影響，為了兼顧車輛的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和電機(jī)扭矩進(jìn)行合理分配，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)目標(biāo)扭矩的計(jì)算過(guò)程如圖6所示。

首先由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門(mén)踏板開(kāi)度解析駕駛員需求扭矩，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電池電量確定電機(jī)能夠提供的扭矩，然后由兩者的差值確定發(fā)動(dòng)機(jī)的需求扭矩。由于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩響應(yīng)緩慢，為避免出現(xiàn)扭矩波動(dòng)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩進(jìn)行濾波處理，并利用電機(jī)響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，通過(guò)電機(jī)扭矩對(duì)總需求扭矩進(jìn)行補(bǔ)償。

3.3 制動(dòng)能量工作模式

3.3.1 制動(dòng)工況分析

傳統(tǒng)汽車在減速制動(dòng)的時(shí)候，機(jī)械能通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)換為熱能，這部分能量的轉(zhuǎn)化不可逆且無(wú)法再次利用造成了能量的浪費(fèi)。在搭載了48VBSG電機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)上，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，BSG電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)到48V電池中。在汽車再次行駛時(shí)，回收產(chǎn)生的電能通過(guò)電機(jī)拖起發(fā)動(dòng)機(jī)或提供輔助動(dòng)力再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，或供車載附件消耗進(jìn)而降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴。因此制動(dòng)時(shí)回收的能量越多，則意味著可以減少更多的燃油消耗。

3.3.2 制動(dòng)能量控制策略

制動(dòng)能量回收的控制策略以回收能量最大為目標(biāo)，同時(shí)兼顧駕駛的舒適性和安全性。48V混合動(dòng)力系統(tǒng)中制動(dòng)方式的決策流程如圖7所示。

制動(dòng)工況的控制策略設(shè)計(jì)以安全性為首要目標(biāo)，當(dāng)48V電池SOC已達(dá)到安全狀態(tài)的最大閾值，此時(shí)禁止BSG電機(jī)向電池充電，汽車的減速制動(dòng)僅由機(jī)械制動(dòng)完成，BSG電機(jī)不再參與制動(dòng)過(guò)程。此外，在制動(dòng)的過(guò)程中，還需時(shí)刻保證電機(jī)的功率不超過(guò)電機(jī)峰值回收功率和電池峰值充電功率限值，當(dāng)電機(jī)回收功率達(dá)到最大，仍未滿足駕駛員需求的減速度，則機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)同時(shí)工作。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證48V系統(tǒng)的混動(dòng)控制策略以及性能的改善效果，對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)（1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)和手動(dòng)變速器）和改裝后的48V系統(tǒng)，在動(dòng)力總成臺(tái)架上分別進(jìn)行了燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性測(cè)試。試驗(yàn)中的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

4.1 燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證48V系統(tǒng)的節(jié)油效果，分別對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)和48V系統(tǒng)進(jìn)行多次NEDC循環(huán)測(cè)試，對(duì)于48V系統(tǒng)在需保證在整個(gè)NEDC循環(huán)能量回收和能量消耗相等。

傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)冷機(jī)測(cè)試的平均油耗為7.63L，單獨(dú)起停功能平均油耗7.266L，節(jié)油率4.7%，達(dá)到理論計(jì)算的最大水平，48V系統(tǒng)平均油耗7.066L，節(jié)油效果達(dá)到7.4%，油耗測(cè)試結(jié)果如表4所示。

傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)和48V系統(tǒng)市區(qū)循環(huán)油耗對(duì)比如圖9所示，市郊循環(huán)油耗對(duì)比如圖10所示，48V系統(tǒng)在怠速和加速階段的瞬時(shí)油耗明顯降低，智能起停和電機(jī)助力功能混動(dòng)策略設(shè)計(jì)達(dá)到了節(jié)油效果。

4.2 動(dòng)力性能試驗(yàn)

分別測(cè)試傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)和48V系統(tǒng)在全油門(mén)狀態(tài)下的動(dòng)力性能，試驗(yàn)過(guò)程中保證48V電池的電量處于較高水平，避免出現(xiàn)由于電池電量不足而影響電機(jī)的性能的情況。

傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)百公里加速測(cè)試如圖11所示，車速?gòu)?km/h到100km/h的加速時(shí)間為12.8s，中間經(jīng)過(guò)兩次換檔過(guò)程，其中，1檔升至2檔時(shí)間約為0.7s，2檔升至3檔時(shí)間約

為1.2s。臺(tái)架測(cè)試中換擋時(shí)間較長(zhǎng)，影響了百公里加速時(shí)間，對(duì)比實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)，百公里加速時(shí)間為11.38s，兩次換擋時(shí)間均為0.3s左右，臺(tái)架測(cè)試結(jié)果在合理范圍內(nèi)。

48V系統(tǒng)的百公里加速測(cè)試如圖12所示，車速?gòu)?km/h到100km/h的加速時(shí)間為10.8s，相比原機(jī)縮短2s，動(dòng)力性能提升的效果明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)48VBSG控制策略及臺(tái)架模擬整車進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，在傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭載BSG電機(jī)，改裝成48VBSG混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)整車混動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能起停、電機(jī)助力和制動(dòng)能量回收等混動(dòng)功能。對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)和48V系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，48V系統(tǒng)能夠明顯改善經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，NEDC循環(huán)測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)7.4%節(jié)油效果，百公里加速時(shí)間減少2s。

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