1 引言

48V系統(tǒng)作為一種有效的節(jié)能技術，不僅能有效降低油耗和減少CO2排放，且因其成本相對較低而受到了各界的關注。同時，采用48V系統(tǒng)使得車輛可以承載功率更高的電氣系統(tǒng)，帶來了汽車市場的改變和增量。國內外已經有一些汽車產商推出了量產的48V車型，比如奔馳C260L、奧迪A6L、長安逸動和吉利博瑞，這些車型均有搭載48V系統(tǒng)的配置供消費者選購。

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預搭載 48V 系統(tǒng)的汽車進行動力性和經濟性仿真研究，以起到先期預測的作用。

這里針對 48V系統(tǒng)進行了構型方案及功能分析，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，對整車的動力性及油耗經濟性進行仿真，并與其傳統(tǒng)原型車輛進行對比分析。結果表明，車輛搭載 48V系統(tǒng)后不僅動力性有所提升，燃油經濟性也有了較大改善。

2 48V動力系統(tǒng)結構分析

2.1 48V 系統(tǒng)構型方案

在進行混合動力系統(tǒng)構型方案的選擇時，綜合考慮零部件成本、開發(fā)周期及技術難度等方面，選用 48V 系統(tǒng)能同時兼顧節(jié)油效率及終端車型價格，是一種有效的折中技術路線方案，同時在行業(yè)上，48V 系統(tǒng)關鍵零部件的配套能力已具有一定的基礎。采用主流的BSG電機方案，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)車型共平臺開發(fā)。

48V 動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機、變速箱、BSG（Belt- drivenStarter/Generator）啟動/發(fā)電一體化電機、動力電池組、12V 蓄電池、傳統(tǒng)起動機、DC/DC(Direct Cur? rent to DirectCurrent converter)直流轉換器以及相應的控制器等組成，動力系統(tǒng)構型方案如下圖 1 所示。


圖 1 48V 微混動力系統(tǒng)構型

本文所述搭載 48V 系統(tǒng)車輛是在傳統(tǒng)車基礎上進行的微混合動力化改造，其功能樣車外觀如圖 2 所示。


圖2 某48V微混系統(tǒng)功能樣車

為了實現(xiàn)混合動力汽車特有的一些功能，在傳統(tǒng)車基礎上增加了BSG電機和動力電池組。通過 BSG 電機的輔助，在保證整車動力性能的前提下，可優(yōu)化發(fā)動機的工作區(qū)域，同時在滑行和制動階段，48V 系統(tǒng)能有效進行能量回收，將機械能轉化為電能儲存到動力電池中。通過 48V 系統(tǒng)特有的功能來降低油耗與排放，實現(xiàn)整車節(jié)能減排的目標。

2.2 48V 系統(tǒng)電氣拓撲

48V系統(tǒng)的電氣架構配置一部分是沿用傳統(tǒng)車的12V電氣網絡 ，另 一部分是增加了 48V 電氣網絡。

48V 系統(tǒng)的電氣拓撲結構如下圖 3 所示，其中 BSG 電 機總成內部主要包括電機本體、逆變器及MCU 控制器，在電氣上需要連接 48V 電池的正負極。48V電池總成內部主要由鋰離子電池單體、電池管理系統(tǒng) BMS 及相關電氣附件組成，48V電池總成在電氣上需要引出正負極供外部用電裝置使用。DC/DC總成的主要功能是進行48V電池與12V電池之間的電壓轉換，在電氣上需要連接 48V 電池的正負極以及 12V 電池的正負極。


圖3 48V動力系統(tǒng)電氣拓撲

48V 系統(tǒng)中 BSG 電機及動力電池的設計需要滿 足相應的電壓等級定義，具體描述如下。

（1）觸電保護：當電壓大于 60 V 時，需要進行高壓 觸電保護。

（2）過壓保護：當電壓范圍為 54 V～58 V 時，需進行過壓保護，且應有存儲記錄以備檢查。

（3）功能 限 制 的 高 電 壓 范 圍 ：當電壓范圍為52 V～54 V 時，48V 系統(tǒng)部分功能受限。

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

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

（6）低電壓范圍：當電壓范圍為20 V～24 V時，需進行欠壓保護，且應有存儲記錄以備檢查。

（7）低壓保護：當電壓低于20 V時，需要進行低壓電氣保護。

3 48V動力系統(tǒng)功能分析

3.1 48V 系統(tǒng)模式分析

相對于傳統(tǒng)車，搭載 48V 系統(tǒng)的車輛兼具動力性和經濟性的優(yōu)勢，可實現(xiàn)特有的混合動力功能，系統(tǒng)運行模式主要包括智能起停模式、發(fā)動機怠速模式、怠速充電模式、發(fā)動機驅動模式、聯(lián)合驅動模式、行駛充電模式、能量回收等，以下分別對各模式的功能進行描述。

（1）智能停機模式：在車輛行駛過程中，駕駛員踩制動踏板使車輛靜止，動力系統(tǒng)滿足停機條件后，控制發(fā)動機熄火。

（2）智能啟機模式：車輛處于靜止狀態(tài)，動力系統(tǒng)滿足起機條件后，由 BSG 電機拉動發(fā)動機運轉到目標轉速，控制發(fā)動機噴油點火啟動。

（3）發(fā)動機怠速模式：車輛從靜止狀態(tài)到發(fā)動機啟動后，電池 SOC 足夠多，不需要對電池進行充電，只需要控制發(fā)動機進入怠速模式。

（4）怠速充電模式：車輛處于靜止狀態(tài)，若發(fā)動機停機條件未滿足，電池 SOC 不夠，則控制發(fā)動機進入怠速發(fā)電模式，發(fā)動機維持在怠速點，電機處于發(fā)電。

（5）發(fā)動機直驅模式：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，此時發(fā)動機單獨驅動效率較高，則控制發(fā)動機直接進行單獨驅動。

（6）聯(lián)合驅動模式：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，電機可進行助力，則控制動力系統(tǒng)進入聯(lián)合驅動，整車驅動行駛的動力源為發(fā)動機和電機。

（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，則控制車輛進入行車充電，整車驅動行駛的動力源為發(fā)動機，電機處于發(fā)電狀態(tài)。

（8）能量回收模式 ：在 車輛滑行或制動的過程 中，變速桿位于 D 或 R 擋，控制電機進行動力系統(tǒng)能 量回收。

在不同的 48V 系統(tǒng)運行模式下，各總成部件的狀態(tài)是不同的，對各模式下的總成工作狀態(tài)進行了分析，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)的功能樣車上設計了 3 種駕駛模式，包括正常模式（Normal mode）、經濟模式（ECO mode）、運動模式（Sport mode）。正常模式的功能設計是兼顧車輛的經濟性和動力性，且電機系 統(tǒng)、空調系統(tǒng)和電附件的使用功率均不受限。經濟模 式的功能設計主要為實現(xiàn)車輛最佳的經濟性，且空調 系統(tǒng)處于節(jié)能模式，座椅加熱功能均關閉。運動模式 的功能設計主要為實現(xiàn)車輛最佳的動力性，部分用電 器件的功率會做一些調整，整車要以較大的動力扭矩 輸出為主。用戶可以根據(jù)實際道路及駕駛工況選擇 合適的模式。3 種駕駛模式的對比分析如表2 所示。



3.3 混動能量流及駕駛模式顯示

為進一步增加人機界面交互，基于48V 汽車不同的混合動力系統(tǒng)模式及車輛駕駛模式，可以設計出不同的儀表顯示方案，以提高用戶的駕乘體驗。在 48V 動力系統(tǒng)運行過程中，整車控制器 HCU（Hybrid Control Unit）在實現(xiàn)相應的控制策略模型之后，把混動模式能量流顯示和駕駛模式顯示信號發(fā)給組合儀表 IC（Instrument Cluster），然后IC進行對應的模式信息顯示。CAN 總線上網絡節(jié)點之間信號的收發(fā)形式如圖4所示，具體的網絡信號設計見表 3。



當IC收到HCU發(fā)送的混動能量流信號時，根據(jù)信號中的Value值顯示某一種系統(tǒng)模式的能量流，比如在聯(lián)合驅動模式下，IC 應能顯示出發(fā)動機運行、電機輸出扭矩及電池放電的能量流狀態(tài)。當 IC 收到 HCU 發(fā)送的駕駛模式信號時，根據(jù)信號中的 Value 值顯示某一種駕駛模式，比如 E、N 或 S。模式顯示設計有利于駕駛員更直觀地了解到當前動力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。



圖 4 能量流及駕駛模式信號收發(fā)

4 基于 CRUISE 建模與仿真

在 CRUISE 仿真軟件中，進行 48V 動力系統(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)動機起停、換擋控制以及扭 矩分配等策略模塊，并利用仿真軟件對整車的動力性 和經濟性進行計算。建立的48V 動力系統(tǒng)仿真模型如圖 5 所示。



該48V微混汽車整車相關參數(shù)見表4，各動力總成部件參數(shù)見表 5。




根據(jù) 48V 微混整車及動力系統(tǒng)各部件參數(shù)在 CRUISE 軟件中進行模型搭建，并采用 NEDC 典型循環(huán)工況進行整車經濟性仿真計算。NEDC 工況譜如下圖 6 所示，具體工況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以參見國家標準 GB/T 18386－2017。



NEDC試驗循環(huán)工況由4個市區(qū)循環(huán)（UDC）和1個市郊循環(huán)（EUDC）工況組成，試驗距離為11.022km，時間為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 個市區(qū)循環(huán)工況持續(xù)時間為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)時間為400 s，理論行駛距離為6.956 km，最高車速為120 km/h。

基于 CRUISE 軟件進行仿真計算，動力系統(tǒng)性能仿真結果對比如表 6 所示，相 對于傳統(tǒng)型車 ，匹 配 48V 動力系統(tǒng)的車型具有明顯的動力性提升和燃料 經濟性改善效果。


如圖 7 及圖 8 所示，對于 NEDC 工 況下的節(jié)油率，該款 48V 系統(tǒng)汽車相對傳統(tǒng)車型百 公里油耗可降低約 12 %，百公里加速時間可減少約1 s。



另外，因 48V 動力系統(tǒng)采用 BSG 作為啟動/發(fā)電 一體化電機，在車輛起動時利用 BSG 電機拉動發(fā)動 機，能夠大大提高平順性，縮短起動時間，如圖9 所 示，在 0.3~0.5 s時間內通過 BSG 電機可以將發(fā)動機轉速快速拉升至怠速區(qū)，控制發(fā)動機噴油點火，實現(xiàn)發(fā)動機起機。同時能較大程度地降低車輛起動時的振動噪聲水平，使得車輛舒適性得到進一步提升。


5 結論

本文通過介紹 48V 微混動力系統(tǒng)的構型方案，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)功能樣車上進行了仿真計算分析，結果表明，匹配 48V 系統(tǒng)的汽車在動力性和經濟性方面更具優(yōu)勢。在樣車設計開發(fā)階段，利用仿真軟件進行計算研究，具有一定的借鑒和參考意義。