48 V汽車發(fā)動機起停功能分析及設計研究

伍慶龍 張?zhí)鞆?楊鈁

（1.中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)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動力系統(tǒng) 起停分析 起停控制 主動預測

縮略語

BCM Body Control Module

BMS Battery Management System

BSG Belt-driven Starter/Generator

CAN Controller Area Network

DC/DC Direct Current to Direct Current converter

EMS Engine Management System

HCU Hybrid Control Unit

IC Instrument Cluster

MCU Motor Control Unit

SOC State Of Charge

TCU Transmission Control Unit

1 引言

隨著能源緊張與環(huán)境污染不斷加劇，新能源汽車的研發(fā)已經受到了各大汽車廠商的重視，市場上也已經涌現(xiàn)出了不同類型的混合動力汽車[1]。混合動力汽車的動力系統(tǒng)主要是由發(fā)動機和電驅動系統(tǒng)組成，通過先進的整車控制和能量管理技術實現(xiàn)動力性和經濟性的提升，并降低了車輛排放?；旌蟿恿ζ嚢凑栈旌隙瓤煞譃閺娀?、中混、輕混和微混4 種類型，48V混合動力汽車屬于微混合動力汽車，它是在原有傳統(tǒng)動力總成發(fā)動機系統(tǒng)中匹配了BSG 電機和動力電池組[2]。與強混合動力汽車相比，48 V 微混涉及的成本較少[3]、變化較小、且易于實現(xiàn)降能耗和減少排放[4-5]，節(jié)油率可以達到12%以上，同時也可以匹配不同的構型方案[6]。國內外已有不少制造商開發(fā)了48 V系統(tǒng)及零部件，比如麥格納開發(fā)的48 V總成部件[7]、大陸電子的48 V系統(tǒng)，以及博格華納推出的e-Booster也與48 V相關[8],同時，市場上已出現(xiàn)較多的48 V量產車型。中國乘用車市場在2017～2018 年集中上市了多款48 V微混車型，其中自主品牌，如長安逸動CS55 藍動版、江淮瑞風M4 Hyboost車型、吉利博瑞GE MHEV車型，合資品牌，如奔馳S500L、奧迪A8L/A6L、奔馳C260。

目前傳統(tǒng)汽車上的發(fā)動機起?？刂萍夹g，由于采用的是12 V 啟動電機，起動時間長和起動短時不平順，造成了一些客戶的困擾。當處于市區(qū)擁堵工況運行時，這類缺點更易被放大，發(fā)動機的頻繁起機和停機嚴重影響駕駛感，同時也易降低發(fā)動機的使用壽命，而48 V 汽車電壓等級提高了，可利用BSG 電機實現(xiàn)快速起停，起機時間更短且更平穩(wěn),并能夠在不同的構型中實現(xiàn)不同的功能[9],使得發(fā)展48 V 成為了新能源節(jié)能汽車的一個重要方向[10]。由于48 V 微混合動力系統(tǒng)的特殊性，原傳統(tǒng)車的起停條件和功能設計已不能夠滿足現(xiàn)有的技術需求，因此，本文針對48 V 車輛的發(fā)動機起停功能進行了分析、設計及測試，同時提出了基于多維度、多路況的發(fā)動機起停主動預測功能，旨在為相關工程人員提供設計參考。

2 48 V動力系統(tǒng)構型原理

2.1 48 V動力系統(tǒng)構型方案

48 V 微混合動力汽車的動力系統(tǒng)結構（如圖1），主要由發(fā)動機、變速箱、BSG 電機、動力電池組、離合器、減速器以及相應的控制器組成。本文匹配的電機峰值功率為10 kW，電池峰值放電功率為12 kW，可用能量192 W·h?？刂破靼ㄕ嚳刂破鳎℉CU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電機控制器（MCU）、發(fā)動機控制器（EMS）以及變速箱控制器（TCU）。其中，BSG 電機作為啟動和發(fā)電一體機，與發(fā)動機通過皮帶輪系相連，不僅能夠提供電機驅動，還能與發(fā)動機聯(lián)合共同驅動車輛，使得動力傳輸能力更強，同時，在車輛滑行和制動過程中還可以利用電機進行能量回收。

2.2 48 V動力系統(tǒng)控制原理

在48 V微混合動力系統(tǒng)中，基于整車控制器HCU的核心協(xié)同運行算法，通過與EMS、MCU、BMS及TCU在不同行駛狀態(tài)下的控制設計，合理分配不同動力源的扭矩輸出，可以實現(xiàn)多種混合動力系統(tǒng)功能運行模式。其中，需要HCU 做好關鍵的行駛狀態(tài)控制，具體實現(xiàn)包括上下電管理、發(fā)動機起停功能、駕駛員扭矩需求計算、系統(tǒng)扭矩分配、總成能力計算、能量管理功能以及安全監(jiān)控。最終表現(xiàn)在實車上，可以實現(xiàn)的運行模式包括發(fā)動機智能起停、電爬行、怠速充電、發(fā)動機驅動、聯(lián)合驅動、行車充電、能量回收、滑行模式。

圖1 48 V動力系統(tǒng)構型方案

通過HCU 接收MCU 的電機參數(shù)信息，可以控制電機進入不同的工作模式，比如扭矩模式和轉速模式、以及控制電機輸出相應數(shù)值用于滿足車輛駕駛需求，實現(xiàn)助力、聯(lián)合驅動及能量回收功能。HCU 接收BMS的電池電壓、電流、SOC以及模式狀態(tài)，控制電池主繼電器的閉合時機，實現(xiàn)動力系統(tǒng)的上下電功能。HCU 接收EMS 的水溫、暖機請求等信號，結合整車運行狀態(tài)控制發(fā)動機的扭矩輸出和斷油，實現(xiàn)發(fā)動機的起停功能。HCU接收TCU的擋位信號，結合駕駛行為狀態(tài)，控制離合器打開和閉合，實現(xiàn)車輛的換擋功能。

2.3 48 V動力系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲

48 V微混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車有所不同，分為48 V 高壓線路和12 V 低壓線路2 個部分，2 者之間通過電壓轉換裝置DC/DC 連接。高電壓系統(tǒng)承擔動力總成、空調、底盤等大功率電子器件的負載，低電壓系統(tǒng)則為車燈、車載電腦、顯示屏等低功率負載供電。DC/DC 主要功能是進行48 V 電池與12 V 電池之間的電壓轉換，在電量傳輸模式下，能量從48 V 電氣網(wǎng)絡向12 V電氣網(wǎng)絡傳輸，對12 V電氣網(wǎng)絡進行供電。

由于48 V 微混汽車新增了BSG 電機和48 V 電池等零部件，需要對原車上的CAN網(wǎng)絡架構進行改造或者重新設計。本文所述的48 V動力系統(tǒng)的CAN通信網(wǎng)絡架構設計結果如圖2 所示。與整車控制器HCU相連接的網(wǎng)絡有2路，分別為混動網(wǎng)絡Hybrid-CAN和動力網(wǎng)絡PT-CAN。其中，Hybrid-CAN 連接了BMS、MCU、DC/DC 及EMS；PT-CAN 連接了IC、TCU、EPS 以及其他控制器。整車控制器HCU除了主控制之外，在CAN 網(wǎng)絡中還可起到網(wǎng)關作用，用于連通Hybrid-CAN 和PT-CAN，能夠直接與車輛上的各主要控制器進行通信，達到實時控制的效果。

圖2 48 V動力系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲

3 發(fā)動機起停系統(tǒng)

發(fā)動機起停系統(tǒng)功能的觸發(fā)，通常是在車輛短暫停止或滑行過程中，根據(jù)駕駛操作以及功能需求的設計來控制發(fā)動機的起停，比如在短暫等紅燈時，臨時關閉發(fā)動機避免燃油消耗、或者自動觸發(fā)停機、或者在滑行過程中實現(xiàn)滑行起停功能。在48 V 微混汽車動力系統(tǒng)中，當HCU 判定汽車處于怠速運轉工況時，會依據(jù)停機的條件實現(xiàn)發(fā)動機停機，以克服傳統(tǒng)的怠速工況造成的高油耗，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。當駕駛員試圖行車時，HCU會依據(jù)起機條件自動發(fā)出起動指令，利用BSG 帶動發(fā)動機起動，該起動時間比傳統(tǒng)起動時間更短和更平順。

發(fā)動機起停系統(tǒng)構成如圖3所示，HCU整車控制器根據(jù)駕駛員的操作行為、各子系統(tǒng)控制器反饋的信號以及通過傳感器采集到的各部件的狀態(tài)信號。通過內部模塊控制算法確定發(fā)動機的起停功能是否被觸發(fā)。如果滿足起停的觸發(fā)條件，HCU會將控制指令通過CAN 總線發(fā)送給MCU 和EMS，控制電機和發(fā)動機按既定的程序指令運行，最終實現(xiàn)發(fā)動機的起?？刂?。48 V系統(tǒng)發(fā)動機起停功能所涉及的零部件如表1所示，提供的信號可用于起停功能的觸發(fā)條件判斷。

4 發(fā)動機起?？刂?/h2>

4.1 發(fā)動機起停條件

HCU根據(jù)48 V微混動力系統(tǒng)上電狀態(tài)、車輛行駛狀態(tài)、駕駛員操作行為、電池SOC 及其他各子系統(tǒng)狀態(tài)，決定發(fā)動機是否起機或停機，因此，需要合理設置發(fā)動機的起停條件及模塊調用機制。

在控制發(fā)動機起機時，應充分考慮滿足起機的條件，只有滿足條件時，HCU 才能控制發(fā)動機起機。相應的起機條件包括（滿足以下任意條件即可起機）：

（1）48 V電池SOC低于預設值；

（2）發(fā)動機水溫低于預設值；

（3）空調系統(tǒng)有打開的請求；

（4）制動真空度不足；

（5）P/N擋下，油門踏板開度大于預設值；

（6）車輛靜止時駕駛員掛入D/R 擋，車輛開始起步；

（7）發(fā)動機本身原因禁止停機的，繼續(xù)保持運行。

圖3 48 V系統(tǒng)發(fā)動機起?？刂葡到y(tǒng)

表1 起停功能涉及零部件說明

在控制發(fā)動機停機時，應充分考慮滿足停機的條件，只有滿足條件時，HCU 才能控制發(fā)動機停機。相應的停機條件包括（均滿足以下條件時才能停機）：

（1）48 V電池SOC高于預設值；

（2）發(fā)動機水溫高于預設值；

（3）空調系統(tǒng)無打開的請求；

（4）制動真空度足夠；

（5）P/N擋下車速低于預設值，或者D擋下踩制動使制動壓力大于預設值；

（6）發(fā)動機沒有禁止停機的請求；

（7）電池可用功率大于預設值，滿足自動起機時的功率要求；

（8）BSG 許用功率大于預設值，滿足自動起機時的功率要求。

4.2 發(fā)動機起機控制時序

為了便于理解發(fā)動機的起機過程，繪制某款48 V車型的起機時序，如圖4所示。利用BSG 電機拖動發(fā)動機起機的控制流程要基于HCU 的信號指令。當動力系統(tǒng)滿足上述發(fā)動機起機條件時，HCU發(fā)送BSG電機起機信號請求，控制電機輸出起動扭矩，將發(fā)動機拖至目標轉速n1且持續(xù)預設時間＞t1，HCU發(fā)送供油請求指令，EMS 控制發(fā)動機噴油點火進入怠速模式，并保持發(fā)動機在怠速轉速附近工作，之后控制BSG電機輸出怠速扭矩并逐漸降低扭矩輸出，最后由EMS接管扭矩，完成BSG電機和發(fā)動機的扭矩交替輸出。當發(fā)動機轉速高于預設轉速n2且維持預設時間＞t2，則發(fā)動機起動完成，EMS 應向HCU 反饋發(fā)動機起動完成的CAN信號，整個發(fā)動機起機過程結束。

圖4 發(fā)動機起機控制時序

4.3 發(fā)動機停機控制時序

發(fā)動機停機的控制方法要基于HCU 的斷油信號指令，發(fā)動機停機的控制時序如圖5所示。HCU根據(jù)整車及零部件狀態(tài)判斷條件是否符合停機，當符合停機要求時，HCU 通過向EMS 發(fā)送斷油請求，此時EMS應快速響應HCU發(fā)送的斷油請求，控制發(fā)動機轉速從怠速轉速逐步降低，使得發(fā)動機完成從怠速工作狀態(tài)至斷油停機的控制。當發(fā)動機轉速低于預設轉速n3且維持預設時間＞t3，則發(fā)動機停機完成，EMS 應向HCU 反饋發(fā)動機停機完成的CAN 信號，整個發(fā)動機停機過程結束。

圖5 發(fā)動機停機控制時序

5 發(fā)動機起停試驗分析

為了驗證利用BSG 電機起動發(fā)動機的優(yōu)勢，通過在某輛匹配48V 系統(tǒng)的汽車上進行發(fā)動機起停功能的試驗測試。在車輛短暫停車過程中，駕駛員松開制動踏板，HCU 檢測到滿足起機條件時，通過內部控制模塊能夠有效地觸發(fā)起機程序，從試驗結果可以看出，起動時利用BSG 電機拉動發(fā)動機，起機時間縮短至0.3 ～0.5 s，如圖6 所示。這種起機方式通過BSG 電機將發(fā)動機快速拉升至怠速區(qū)，實現(xiàn)噴油點火起機，可以較大程度地縮短起動時間，并提高車輛起機平順性。

圖6 BSG電機起動過程分析

6 主動預測起停功能

6.1 智能網(wǎng)聯(lián)信息采集系統(tǒng)

當前汽車行業(yè)正朝著新四化的方向發(fā)展，即電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化和共享化。以電動化為基礎實現(xiàn)節(jié)能出行，以網(wǎng)聯(lián)化為紐帶實現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享，以智能化為方向實現(xiàn)美妙出行，這些或將成為汽車實現(xiàn)終極智能駕乘目標的可行途徑。在新能源汽車先進技術開發(fā)方面，智能的主動預測功能開發(fā)也成為了一大熱點，為此，本文提出和論述基于多維度、多路況的發(fā)動機主動預測起停功能的開發(fā)方案。

在主動預測發(fā)動機起停功能時，需要智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)對車輛行駛狀態(tài)、駕駛行為狀態(tài)以及路況環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)控，如圖7所示。智能網(wǎng)聯(lián)對采集的數(shù)據(jù)信息進行預處理，并把參數(shù)結果發(fā)給HCU，HCU 基于智網(wǎng)參數(shù)信息以及各動力源的實時運行狀態(tài)主動預測發(fā)動機起停時機。

圖7 智能網(wǎng)聯(lián)信息采集方案

（1）車輛行駛狀態(tài)監(jiān)控

通過傳感器設備和CAN網(wǎng)絡總線，獲取車輛的行駛車速、車輛加速度、車輛擋位信息等參數(shù)，為整車控制系統(tǒng)提供參數(shù)輸入。

（2）駕駛行為狀態(tài)監(jiān)控

通過傳感器獲取油門踏板和制動踏板參數(shù)，通過CAN網(wǎng)絡總線信號獲取駕駛模式。其中，駕駛模式是指駕駛員選擇的車輛操縱模式，比如有經濟模式、運動模式或雪地模式等。

（3）路況環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控

通過傳感器設備和CAN 網(wǎng)絡總線，獲取轉向行車等參數(shù)，通過智能網(wǎng)聯(lián)大數(shù)據(jù)(結合GPS導航數(shù)據(jù))，判斷行車路況分布，各路段的擁擠程度，以及判斷下一個紅綠燈分布以及距離，為主動預測起停提供數(shù)據(jù)支撐。

6.2 主動預測起停系統(tǒng)

根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)實時采集和監(jiān)控到的信息，HCU再結合各總成的運行狀態(tài)，實現(xiàn)基于多維度、多路況的起停預測功能，如圖8所示。根據(jù)發(fā)動機轉速、扭矩和節(jié)氣門開度、變速箱輸出軸轉速和扭矩、電池SOC、電流和電壓、電機轉速、扭矩、電流和電壓等參數(shù)來提前制定發(fā)動機的起?？刂撇呗裕龅教崆白R別何時起動發(fā)動機，進一步優(yōu)化工作區(qū)域，減少油耗和排放。

圖8 基于多維度的起停預測功能方案

通過車輛裝配的智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)，包括感知設備和通信設備等，HCU可以實時獲取自身車輛的行駛狀態(tài)、前方車輛行駛狀態(tài)以及路口紅綠燈時間等信息。比如當發(fā)現(xiàn)前方為紅綠燈路口時，檢測到與前車間距小于s1時且2 者速度差值小于v1時，可以主動控制滑行停機。當車處于紅綠燈交叉路口，利用導航數(shù)據(jù)算出停車等待時間，判斷與前車的間距及速度差值是否超過閾值等，可以主動進行提前起機，以更好地匹配用戶行車意圖。

通過基于未來路況信息的主動預測起停功能，利用雷達，攝像頭，GPS導航數(shù)據(jù)，提前了解車輛前方的路況信息，利用先進控制技術實現(xiàn)主動滑行停機或起機，避免到達擁擠路段跟前時才緊急制動停機，這種方法在智能駕駛以及未來降油耗方面有一定的開發(fā)前景。

7 結束語

48 V 微混動力系統(tǒng)是一種能夠有效折中成本和節(jié)油率的混合動力節(jié)能技術，通過有效的發(fā)動機起停控制技術開發(fā)，不僅能夠優(yōu)化發(fā)動機運行、縮短起機時間和提升平順性，還能降低油耗和減小排放。

本文通過介紹48 V微混動力系統(tǒng)的構型方案、控制原理，著重分析了發(fā)動機起停功能、起停條件、起停時序和控制策略，并基于實車進行了測試驗證。同時，針對智能控制技術發(fā)展，可以基于多維度、多工況進行主動預測起停功能的開發(fā)，為新能源汽車新四化的發(fā)展添磚加瓦，為相關工程人員提供設計參考。

未來，隨著汽車智能化的不斷發(fā)展，部件需要消耗的能量會越來越大，僅靠12 V電池供電已不能完全滿足需求，而48 V 系統(tǒng)可以帶來部件或子系統(tǒng)的優(yōu)化，推動更多部件電壓等級提升和新功能的開發(fā)。同時，在能源緊張、法規(guī)日趨嚴格和汽車新四化發(fā)展的背景下，48 V系統(tǒng)將會有非常大的應用潛力。