基于Cruise的48V系統控制策略仿真研究

于志強 沈鐵軍 安月強 譚傳瑞 王樹人

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

主題詞：48 V系統 BSG電機 Cruise 控制策略

1 前言

隨著油耗和排放法規的限制越來越嚴格，節能減排已從政策層面演化為每個車企的技術要求[1-2]。因此各種混合動力和純電動技術得到快速發展，其中48 V輕混系統具有怠速起停、制動能量回收、動力輔助、滑行起停等幾種工作模式[3]，此外，還具有點火時間更短、起動時噪聲和振動更小、駕乘人員感覺更加舒適[1]、高功率附件可實現電動化、發動機損耗低等優勢而受到廣泛重視。

本文研究了48 V 系統的控制策略，根據某傳統車利用Cruise 軟件建立了48 V 系統P0 架構的仿真模型，實現怠速起停、制動能量回收和動力輔助功能，并將48 V系統的節油效果與基礎車進行比較。

2 48 V系統組成

48 V 系統針對傳統內燃機進行電氣化改造，增加了48 V電池、DC/DC轉換器，利用皮帶傳動起動/發電一體化電機（Belt-driven Starter/Generator，BSG）實現起停、制動能量回收、動力輔助等功能。水泵、油泵、空調壓縮機等外圍組件由高功率電機驅動，而不再需要內燃機通過皮帶直接驅動，從而降低發動機機械損耗。48 V BSG方案系統組成如圖1所示。

圖1 48 V BSG方案系統組成

3 48 V系統功能及控制策略

3.1 48 V系統功能

48 V系統具有如下5種功能（工作模式見圖2）：

a.怠速起停（Start-Stop），車輛靜止狀態下，發動機處于關閉狀態，48 V 大容量電池儲存的能量維持車載電器的正常運行，發動機可以隨時快速起動。

b.制動能量回收（Regeneration），將動能轉化為電能，并儲存在電池中，此時BSG作為發電機。

c.動力輔助（Boost），在加速階段，電機的輔助動力彌補發動機動力的不足，此時BSG作為電動機。

d.巡航（Cruise），車輛等速行駛時，在電池電量充足的情況下，關閉發動機噴油系統，依靠電機來維持車輛運行。電機提供的動力用于克服行駛阻力和發動機的摩擦功。P2 架構在高速巡航時可以關閉發動機，僅靠電機保持車輛巡航。再次踩下油門踏板時，發動機迅速起動，平滑切入當前車速。

e.滑行起停（Coasting），松開油門踏板后，離合器斷開發動機與傳動系統的機械連接，徹底關閉發動機，實現更長距離的行駛，相當于傳統車輛的空擋滑行，但傳統車輛滑行時發動機依然需要噴油維持運轉。

圖2 48 V系統工作模式示意

針對上述48 V系統功能，本文制定了怠速起停、制動能量回收和動力輔助的Simulink控制策略。

3.2 怠速起停控制策略

影響發動機怠速起停的主要因素有起停開關狀態、油門踏板行程Sacc、最小可檢測踏板行程Smin、車速v、電池SOC、發動機水溫Tw等，怠速起停控制策略如圖3所示。

圖3 怠速起停控制流程

3.3 制動能量回收控制策略

制動能量回收策略根據制動踏板和制動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，通過算法智能分配電機回饋制動和液壓制動，且電機回饋制動有較高優先級。影響制動能量回收的主要因素有制動油壓Pb、車速v、制動減速度ab、電池SOC等[4]，控制流程如圖4所示。

圖4 制動能量回收控制流程

3.4 動力輔助控制策略

動力輔助控制策略依據油耗最低的目標進行設定，首先定義最佳燃油消耗率曲線，如圖5 所示，然后根據發動機需求扭矩與最佳燃油消耗率曲線的關系對車輛加速過程中發動機扭矩和電機轉矩進行合理分配。影響動力輔助的主要因素有油門踏板行程Sacc、發動機轉速n、發動機經濟扭矩Teco、發動機需求扭矩Tre、車速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 動力輔助控制流程

3.5 48 V系統Simulink控制策略

根據上述控制流程搭建48 V 系統Simulink 控制策略如圖7所示。

4 控制策略驗證模型

本文以某傳統車為基礎車，利用AVL Cruise仿真軟件搭建整車、發動機、變速器、電機、電池及控制策略模型，模型輸入參數如表1所示，仿真模型如圖8所示。

Cruise 軟件和MATLAB 聯合仿真方式有DLL、API、Interface 等方式，每種方式有各自的優缺點，其中較為常用的是DLL 和Iterface 方式，本文采用DLL 方式進行聯合仿真，仿真設置步驟大體分為策略接口定義、策略編譯、模型接口設置和總線連接。

圖7 48 V系統Simulink控制策略

表1 模型輸入參數

圖8 仿真分析模型

5 仿真結果分析

5.1 控制策略功能驗證

5.1.1 怠速起停功能

怠速起停功能仿真結果如圖9所示：在循環工況第188 s 時，車速減為0，發動機起停信號Start_Switch 由起動狀態1變為停機狀態0，實現怠速停機，發動機轉速為0；在循環工況第206 s 時，隨著油門踏板被踩下，Start_Switch由0變為1，發動機起動。

5.1.2 制動能量回收功能

制動能量回收功能仿真結果如圖10 所示：在制動減速過程中，BSG扭矩為負值，表示工作在發電機狀態，此時電池SOC增大；在循環工況的第155～163 s減速段，制動能量全部由電機回收，機械制動力矩為0；在循環工況的第176～187 s減速段，制動能量部分由電機回收，不足的由機械制動補償。

圖9 怠速起停功能驗證結果

圖10 制動能量回收功能驗證結果

5.1.3 動力輔助功能

動力輔助功能仿真結果如圖11 所示，在加速過程中，當發動機需求扭矩大于經濟扭矩時，BSG介入，電機扭矩為正值，表示為動力輔助狀態，此時電池SOC減小。

圖11 動力輔助功能驗證結果

5.2 NEDC工況節油效果

NEDC 工況基礎車油耗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，相比基礎車型怠速起停方案和48 V方案燃油消耗量分別下降6.9%和12.5%。

瞬時油耗結果對比如圖12 所示，仿真前、后電池SOC平衡：車輛起動后的前2 個怠速段沒有停機，是因為水溫條件未達到停機條件，后面的怠速段全部實現停機，瞬時油耗為0；在加速段，電機進行動力輔助，電池SOC減小，瞬時油耗小于基礎車；在減速段，電機進行能量回收，電池SOC增大，與基礎車型相比，瞬時油耗沒有變化。

圖12 NEDC工況瞬時油耗對比

6 結束語

本文討論了48 V 系統常用工作模式，建立了48 V系統怠速起停、制動能量回收和動力輔助的Simulink控制策略，基于AVL Cruise 軟件建立了某車型的48 V 系統控制策略的驗證模型，通過Cruise和MATLAB聯合仿真的形式對控制策略的功能和48 V的節油效果進行了驗證，結果表明48 V系統控制策略實現了怠速起停、制動能量回收和動力輔助的功能，在NEDC工況下相比基礎車有12.5%的節油潛力。