1 前言

本文研究了48 V 系統(tǒng)的控制策略，根據(jù)某傳統(tǒng)車(chē)?yán)肅ruise 軟件建立了48 V 系統(tǒng)P0 架構(gòu)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)怠速起停、制動(dòng)能量回收和動(dòng)力輔助功能，并將48 V系統(tǒng)的節(jié)油效果與基礎(chǔ)車(chē)進(jìn)行比較。

2 48 V系統(tǒng)組成

48 V 系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行電氣化改造，增加了48 V電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器，利用皮帶傳動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)（Belt-driven Starter/Generator，BSG）實(shí)現(xiàn)起停、制動(dòng)能量回收、動(dòng)力輔助等功能。水泵、油泵、空調(diào)壓縮機(jī)等外圍組件由高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而不再需要內(nèi)燃機(jī)通過(guò)皮帶直接驅(qū)動(dòng)，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(jiàn)圖2）：

a.怠速起停（Start-Stop），車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，48 V 大容量電池儲(chǔ)存的能量維持車(chē)載電器的正常運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)可以隨時(shí)快速起動(dòng)。

b.制動(dòng)能量回收（Regeneration），將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存在電池中，此時(shí)BSG作為發(fā)電機(jī)。

c.動(dòng)力輔助（Boost），在加速階段，電機(jī)的輔助動(dòng)力彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的不足，此時(shí)BSG作為電動(dòng)機(jī)。

d.巡航（Cruise），車(chē)輛等速行駛時(shí)，在電池電量充足的情況下，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)，依靠電機(jī)來(lái)維持車(chē)輛運(yùn)行。電機(jī)提供的動(dòng)力用于克服行駛阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功。P2 架構(gòu)在高速巡航時(shí)可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，僅靠電機(jī)保持車(chē)輛巡航。再次踩下油門(mén)踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)迅速起動(dòng)，平滑切入當(dāng)前車(chē)速。

e.滑行起停（Coasting），松開(kāi)油門(mén)踏板后，離合器斷開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械連接，徹底關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的行駛，相當(dāng)于傳統(tǒng)車(chē)輛的空擋滑行，但傳統(tǒng)車(chē)輛滑行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)依然需要噴油維持運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 48 V系統(tǒng)工作模式示意

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

3.2 怠速起停控制策略

影響發(fā)動(dòng)機(jī)怠速起停的主要因素有起停開(kāi)關(guān)狀態(tài)、油門(mén)踏板行程Sacc、最小可檢測(cè)踏板行程Smin、車(chē)速v、電池SOC、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫Tw等，怠速起?？刂撇呗匀鐖D3所示。


圖3 怠速起?？刂屏鞒?br />
3.3 制動(dòng)能量回收控制策略

制動(dòng)能量回收策略根據(jù)制動(dòng)踏板和制動(dòng)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(guò)算法智能分配電機(jī)回饋制動(dòng)和液壓制動(dòng)，且電機(jī)回饋制動(dòng)有較高優(yōu)先級(jí)。影響制動(dòng)能量回收的主要因素有制動(dòng)油壓Pb、車(chē)速v、制動(dòng)減速度ab、電池SOC 等[4]，控制流程如圖4所示。


圖4 制動(dòng)能量回收控制流程

3.4 動(dòng)力輔助控制策略

動(dòng)力輔助控制策略依據(jù)油耗最低的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)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(dòng)機(jī)需求扭矩與最佳燃油消耗率曲線的關(guān)系對(duì)車(chē)輛加速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配。影響動(dòng)力輔助的主要因素有油門(mén)踏板行程Sacc、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)扭矩Teco、發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩Tre、車(chē)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(dòng)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(yàn)證模型

本文以某傳統(tǒng)車(chē)為基礎(chǔ)車(chē)，利用AVL Cruise仿真軟件搭建整車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、電機(jī)、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(diǎn)，其中較為常用的是DLL 和Iterface 方式，本文采用DLL 方式進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真設(shè)置步驟大體分為策略接口定義、策略編譯、模型接口設(shè)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(jié)果分析

5.1 控制策略功能驗(yàn)證

5.1.1 怠速起停功能

怠速起停功能仿真結(jié)果如圖9所示：在循環(huán)工況第188 s 時(shí)，車(chē)速減為0，發(fā)動(dòng)機(jī)起停信號(hào)Start_Switch 由起動(dòng)狀態(tài)1變?yōu)橥C(jī)狀態(tài)0，實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0；在循環(huán)工況第206 s 時(shí)，隨著油門(mén)踏板被踩下，Start_Switch由0變?yōu)?，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

5.1.2 制動(dòng)能量回收功能

制動(dòng)能量回收功能仿真結(jié)果如圖10 所示：在制動(dòng)減速過(guò)程中，BSG扭矩為負(fù)值，表示工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)電池SOC增大；在循環(huán)工況的第155～163 s減速段，制動(dòng)能量全部由電機(jī)回收，機(jī)械制動(dòng)力矩為0；在循環(huán)工況的第176～187 s減速段，制動(dòng)能量部分由電機(jī)回收，不足的由機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)償。


圖9 怠速起停功能驗(yàn)證結(jié)果


圖10 制動(dòng)能量回收功能驗(yàn)證結(jié)果

5.1.3 動(dòng)力輔助功能

動(dòng)力輔助功能仿真結(jié)果如圖11 所示，在加速過(guò)程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩大于經(jīng)濟(jì)扭矩時(shí)，BSG介入，電機(jī)扭矩為正值，表示為動(dòng)力輔助狀態(tài)，此時(shí)電池SOC減小。


圖11 動(dòng)力輔助功能驗(yàn)證結(jié)果

5.2 NEDC工況節(jié)油效果

NEDC 工況基礎(chǔ)車(chē)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(chǔ)車(chē)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(shí)油耗結(jié)果對(duì)比如圖12 所示，仿真前、后電池SOC 平衡：車(chē)輛起動(dòng)后的前2 個(gè)怠速段沒(méi)有停機(jī)，是因?yàn)樗疁貤l件未達(dá)到停機(jī)條件，后面的怠速段全部實(shí)現(xiàn)停機(jī)，瞬時(shí)油耗為0；在加速段，電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輔助，電池SOC減小，瞬時(shí)油耗小于基礎(chǔ)車(chē)；在減速段，電機(jī)進(jìn)行能量回收，電池SOC增大，與基礎(chǔ)車(chē)型相比，瞬時(shí)油耗沒(méi)有變化。


圖12 NEDC工況瞬時(shí)油耗對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

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(dòng)能量回收和動(dòng)力輔助的Simulink控制策略，基于AVL Cruise 軟件建立了某車(chē)型的48 V 系統(tǒng)控制策略的驗(yàn)證模型，通過(guò)Cruise和MATLAB聯(lián)合仿真的形式對(duì)控制策略的功能和48 V的節(jié)油效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明48 V系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)了怠速起停、制動(dòng)能量回收和動(dòng)力輔助的功能，在NEDC工況下相比基礎(chǔ)車(chē)有12.5%的節(jié)油潛力。