48V微混動力系統功能分析及仿真研究

張天強 伍慶龍

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春 130013）

主題詞：8V微混汽車 動力系統 系統功能 CRUISE

縮略語

BMS Battery Management System（電池管理系統）

BSG Belt-driven Starter/Generator（啟動/發電一體化電機）

CAN Controller Area Network（控制器局域網）

DC/DC Direct Current to Direct Current converter(直流轉換器)

ECO mode Economy mode（經濟模式）

EUDC Extra Urban Driving Cycle（市郊循環工況）

HCUHybrid Control Unit（整車控制器）

IC Instrument Cluster（組合儀表）

MCUMotor Control Unit（電機控制器）

NEDC New European Driving Cycle（新歐洲汽車循環工況）

SOC State Of Charge（電池電量）

UDC Urban Driving Cycle（市區循環工況）

1 引言

當前，為應對能源危機和環境問題，各國油耗法規日趨嚴格，混合動力汽車在節能和環保方面的優勢已經越來越引起人們的關注[1]。強混和中混的混合動力汽車由于增加了電機動力源[2]，雖然能較大程度降低油耗和排放，但其成本相對傳統車增加較多。48V系統作為一種有效的節能技術，不僅能有效降低油耗和減少CO2排放[3]，且因其成本相對較低而受到了各界的關注。同時，采用48V系統使得車輛可以承載功率更高的電氣系統[4]，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系統的配置供消費者選購。

為了使某款車型在開發制造初期更好地匹配48V系統，有必要使用仿真軟件對預搭載48V系統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。本文針對48V系統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，并與其傳統原型車輛進行對比分析。結果表明，車輛搭載48V系統后不僅動力性有所提升，燃油經濟性也有了較大改善。

2 48V動力系統結構分析

2.1 48V系統構型方案

在進行混合動力系統構型方案的選擇時，綜合考慮零部件成本、開發周期及技術難度等方面，選用48V系統能同時兼顧節油效率及終端車型價格，是一種有效的折中技術路線方案，同時在行業上，48V系統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，在系統成本、傳統總成通用性和整車可搭載性等方面優勢較明顯，并能與傳統車型共平臺開發。

48V動力系統主要由發動機、變速箱、BSG（Beltdriven Starter/Generator）啟動/發電一體化電機、動力電池組、12V蓄電池、傳統起動機、DC/DC(Direct Current to Direct Current converter)直流轉換器以及相應的控制器等組成，動力系統構型方案如下圖1所示。

圖1 48V微混動力系統構型

本文所述搭載48V系統車輛是在傳統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。為了實現混合動力汽車特有的一些功能，在傳統車基礎上增加了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，可優化發動機的工作區域，同時在滑行和制動階段，48V系統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系統特有的功能來降低油耗與排放，實現整車節能減排的目標。

2.2 48V系統電氣拓撲

48V系統的電氣架構配置一部分是沿用傳統車的12V電氣網絡，另一部分是增加了48V電氣網絡。48V系統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動力系統電氣拓撲

48V系統中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系統可實現全部功能。

（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動力系統功能分析

3.1 48V系統模式分析

相對于傳統車，搭載48V系統的車輛兼具動力性和經濟性的優勢，可實現特有的混合動力功能，系統運行模式主要包括智能起停模式、發動機怠速模式、怠速充電模式、發動機驅動模式、聯合驅動模式、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，動力系統滿足停機條件后，控制發動機熄火。

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

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

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

（5）發動機直驅模式：車輛處于行駛狀態，變速桿位于D或R擋，電池SOC處于正常范圍，此時發動機單獨驅動效率較高，則控制發動機直接進行單獨驅動。

（6）聯合驅動模式：車輛處于行駛狀態，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，則控制動力系統進入聯合驅動，整車驅動行駛的動力源為發動機和電機。

（7）行車充電模式：車輛處于行駛狀態，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動機，電機處于發電狀態。

（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能量回收。

在不同的48V系統運行模式下，各總成部件的狀態是不同的，對各模式下的總成工作狀態進行了分析，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、空調系統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車輛最佳的經濟性，且空調系統處于節能模式，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。

表1 不同系統模式下的總成狀態

表2 駕駛模式對比分析

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動力系統運行過程中，整車控制器HCU（Hybrid Control Unit）在實現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總線上網絡節點之間信號的收發形式如圖4所示，具體的網絡信號設計見表3。

當IC收到HCU發送的混動能量流信號時，根據信號中的Value值顯示某一種系統模式的能量流，比如在聯合驅動模式下，IC應能顯示出發動機運行、電機輸出扭矩及電池放電的能量流狀態。當IC收到HCU發送的駕駛模式信號時，根據信號中的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的運行狀態。

圖4 能量流及駕駛模式信號收發

表3 CAN總線網絡信號

4 基于CRUISE建模與仿真

在CRUISE仿真軟件中，進行48V動力系統各部件模型的建立，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動力系統仿真模型如圖5所示。該48V微混汽車整車相關參數見表4，各動力總成部件參數見表5。

根據48V微混整車及動力系統各部件參數在CRUISE軟件中進行模型搭建，并采用NEDC典型循環工況進行整車經濟性仿真計算。NEDC工況譜如下圖6所示，具體工況的數據統計可以參見國家標準GB/T 18386—2017[5]。

圖5 48V微混汽車動力系統模型

表4 48V微混汽車整車相關參數

NEDC試驗循環工況由4個市區循環（UDC）和1個市郊循環（EUDC）工況組成，試驗距離為11.022 km，時間為1 180 s。市區循環用于模擬傳統的城市道路工況，每1個市區循環工況都包括了加速、減速、勻速和怠速4種工況，4個市區循環工況持續時間為780 s，理論行駛距離為4.067 km。市郊循環工況用于模擬市郊道路工況，持續時間為400 s，理論行駛距離為6.956 km，最高車速為120 km/h。

表5 動力系統主要部件參數

圖6 NEDC試驗循環工況譜

表6 動力系統性能仿真對比

圖7 車輛燃油經濟性對比

圖8 車輛百公里加速對比

圖9 BSG電機起動過程分析

基于CRUISE軟件進行仿真計算，動力系統性能仿真結果對比如表6所示，相對于傳統型車，匹配48V動力系統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工況下的節油率，該款48V系統汽車相對傳統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動力系統采用BSG作為啟動/發電一體化電機，在車輛起動時利用BSG電機拉動發動機，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電機可以將發動機轉速快速拉升至怠速區，控制發動機噴油點火，實現發動機起機。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

作為未來汽車節能減排的混合動力技術，48V微混系統是一種能夠有效折中節油率和經濟成本的混合動力系統方案。48V系統可實現發動機有效起停，優化發動機效率區域，具有電機助力和制動能量回收等功能，可降低整車油耗及CO2排放，提升車輛的NVH性能，是一種比較有前景的微混合動力系統方案。

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