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48V汽車發(fā)動機起停功能分析及設(shè)計研究

2021-03-02 23:32:29·  來源：Battery Insight view  作者：battery 風(fēng)清揚  
　
目前傳統(tǒng)汽車上的發(fā)動機起?？刂萍夹g(shù)，由于采用的是12V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(dāng)處于市區(qū)擁堵工況運行時，這類缺點更易
目前傳統(tǒng)汽車上的發(fā)動機起?？刂萍夹g(shù)，由于采用的是 12V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(dāng)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(yán)重影響駕駛感，同時也易降低發(fā)動機的使用壽命，而48V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(gòu)型中實現(xiàn)不同的功能[9],使得發(fā)展48V成為了新能源節(jié)能汽車的一個重要方向。由于48V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(shè)計已不能夠滿足現(xiàn)有的技術(shù) 需求，因此，本文針對 48V車輛的發(fā)動機起停功能進行了分析、設(shè)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(yù)測功能，旨在為相關(guān)工程人員提供設(shè)計參考。

2 48V動力系統(tǒng)構(gòu)型原理

2.1 48V動力系統(tǒng)構(gòu)型方案
48V微混合動力汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（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(yīng)的控制器組成。本文匹配的電機峰值功率為10kW，電池峰值放電功率為12kW，可用 能量 192W·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(qū)動，還能與發(fā)動機聯(lián)合共同驅(qū)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 48V動力系統(tǒng)控制原理
在 48V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(shè)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(guān)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(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、行車充電、能量回收、滑行模式。
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(zhuǎn)速模式、以及控制電機輸出相應(yīng)數(shù)值用于滿足車輛駕駛需求，實現(xiàn)助力、聯(lián)合驅(qū)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(jié)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(jié)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 48V動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲
48V微混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車有所不同，分為48V高壓線路和12V低壓線路2個部分，2者之間通過電壓轉(zhuǎn)換裝置DC/DC連接。高電壓系統(tǒng)承擔(dān)動力總成、空調(diào)、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48V電池與12V電池之間的電壓轉(zhuǎn)換，在電量傳輸模式下，能量從48V電氣網(wǎng)絡(luò)向12V電氣網(wǎng)絡(luò)傳輸，對12V電氣網(wǎng)絡(luò)進行供電。

由于 48V微混汽車新增了BSG電機和48V電池等零部件，需要對原車上的CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行改造或者重新設(shè)計。本文所述的48V動力系統(tǒng)的CAN通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計結(jié)果如圖2所示。與整車控制器HCU相連接的網(wǎng)絡(luò)有2路，分別為混動網(wǎng)絡(luò)Hybrid-CAN和動力網(wǎng)絡(luò)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(luò)中還可起到網(wǎng)關(guān)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。

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(shè)計來控制發(fā)動機的起停，比如在短暫等紅燈時，臨時關(guān)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 48V微混汽車動力系統(tǒng)中，當(dāng)HCU判定汽車處于怠速運轉(zhuǎn)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(biāo)。當(dāng)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(gòu)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(nèi)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?。48V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?/section>

4.1發(fā)動機起停條件
HCU根據(jù)48V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(shè)置發(fā)動機的起停條件及模塊調(diào)用機制。

在控制發(fā)動機起機時，應(yīng)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(yīng)的起機條件包括（滿足以下任意條件即可起機）：
（ 1）48V電池SOC低于預(yù)設(shè)值；
（ 2）發(fā)動機水溫低于預(yù)設(shè)值；
（ 3）空調(diào)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(yù)設(shè)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。
在控制發(fā)動機停機時，應(yīng)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(yīng)的停機條件包括（均滿足以下條件時才能停機）：
（ 1）48V電池SOC高于預(yù)設(shè)值；
（ 2）發(fā)動機水溫高于預(yù)設(shè)值；
（ 3）空調(diào)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(yù)設(shè)值，或者D擋下踩制動使制動壓力大于預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)值，滿足自動起機時的功率要求；
（ 8）BSG許用功率大于預(yù)設(shè)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 48V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(dāng)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(biāo)轉(zhuǎn)速n1且持續(xù)預(yù)設(shè)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(zhuǎn)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(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn) 速高于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速 n 2 且維持預(yù)設(shè)時間>t 2 ，則發(fā)動機起動完成，EMS應(yīng)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(jié)束。
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(dāng)符合停機要求時，HCU通過向EMS發(fā)送斷油請求，此時EMS應(yīng)快速響應(yīng)HCU發(fā)送的斷油請求，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速從怠速轉(zhuǎn)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(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速n 3 且維持預(yù)設(shè)時間 >t 3 ，則發(fā)動機停機完成，EMS應(yīng)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(jié)束。

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(nèi)部控制模塊能夠有效地觸發(fā)起機程序，從試驗結(jié)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0.3~0.5s，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。

6主動預(yù)測起停功能

6.1智能網(wǎng)聯(lián)信息采集系統(tǒng)
當(dāng)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(chǔ)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?qū)崿F(xiàn)美妙出行，這些或?qū)⒊蔀槠噷崿F(xiàn)終極智能駕乘目標(biāo)的可行途徑。在新能源汽車先進技術(shù)開發(fā)方面，智能的主動預(yù)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(yù)測起停功能的開發(fā)方案。
在主動預(yù)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(yù)處理，并把參數(shù)結(jié)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(yù)測發(fā)動機起停時機。
（ 1）車輛行駛狀態(tài)監(jiān)控
通過傳感器設(shè)備和 CAN網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jīng)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(shè)備和 CAN網(wǎng)絡(luò)總線，獲取轉(zhuǎn)向行車等參數(shù)，通過智能網(wǎng)聯(lián)大數(shù)據(jù)(結(jié)合GPS導(dǎo)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(yù)測起停提供數(shù)據(jù)支撐。

6.2主動預(yù)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(jié)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(yù)測功能，如圖8所示。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩和節(jié)氣門開度、變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速和扭矩、電池SOC、電流和電壓、電機轉(zhuǎn)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?，做到提前識別何時起動發(fā)動機，進一步優(yōu)化工作區(qū)域，減少油耗和排放。
通過車輛裝配的智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)，包括感知設(shè)備和通信設(shè)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(dāng)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(dāng)車處于紅綠燈交叉路口，利用導(dǎo)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(yù)測起停功能，利用雷達，攝像頭， GPS導(dǎo)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(shù)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(jié)束語

48V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(shù)，通過有效的發(fā)動機起?？刂萍夹g(shù)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 48V微混動力系統(tǒng)的構(gòu)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(shù)發(fā)展，可以基于多維度、多工況進行主動預(yù)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(guān)工程人員提供設(shè)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 12V電池供電已不能完全滿足需求，而48V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(yán)格和汽車新四化發(fā)展的背景下，48V系統(tǒng)將會有非常大的應(yīng)用潛力。
文章來源：1.中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室
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