48 V汽車發動機起停功能分析及設計研究

伍慶龍 張天強 楊鈁

（1.中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：48 V動力系統 起停分析 起停控制 主動預測

縮略語

BCM Body Control Module

BMS Battery Management System

BSG Belt-driven Starter/Generator

CAN Controller Area Network

DC/DC Direct Current to Direct Current converter

EMS Engine Management System

HCU Hybrid Control Unit

IC Instrument Cluster

MCU Motor Control Unit

SOC State Of Charge

TCU Transmission Control Unit

1 引言

隨著能源緊張與環境污染不斷加劇，新能源汽車的研發已經受到了各大汽車廠商的重視，市場上也已經涌現出了不同類型的混合動力汽車[1]。混合動力汽車的動力系統主要是由發動機和電驅動系統組成，通過先進的整車控制和能量管理技術實現動力性和經濟性的提升，并降低了車輛排放。混合動力汽車按照混合度可分為強混、中混、輕混和微混4 種類型，48V混合動力汽車屬于微混合動力汽車，它是在原有傳統動力總成發動機系統中匹配了BSG 電機和動力電池組[2]。與強混合動力汽車相比，48 V 微混涉及的成本較少[3]、變化較小、且易于實現降能耗和減少排放[4-5]，節油率可以達到12%以上，同時也可以匹配不同的構型方案[6]。國內外已有不少制造商開發了48 V系統及零部件，比如麥格納開發的48 V總成部件[7]、大陸電子的48 V系統，以及博格華納推出的e-Booster也與48 V相關[8],同時，市場上已出現較多的48 V量產車型。中國乘用車市場在2017～2018 年集中上市了多款48 V微混車型，其中自主品牌，如長安逸動CS55 藍動版、江淮瑞風M4 Hyboost車型、吉利博瑞GE MHEV車型，合資品牌，如奔馳S500L、奧迪A8L/A6L、奔馳C260。

目前傳統汽車上的發動機起停控制技術，由于采用的是12 V 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。當處于市區擁堵工況運行時，這類缺點更易被放大，發動機的頻繁起機和停機嚴重影響駕駛感，同時也易降低發動機的使用壽命，而48 V 汽車電壓等級提高了，可利用BSG 電機實現快速起停，起機時間更短且更平穩,并能夠在不同的構型中實現不同的功能[9],使得發展48 V 成為了新能源節能汽車的一個重要方向[10]。由于48 V 微混合動力系統的特殊性，原傳統車的起停條件和功能設計已不能夠滿足現有的技術需求，因此，本文針對48 V 車輛的發動機起停功能進行了分析、設計及測試，同時提出了基于多維度、多路況的發動機起停主動預測功能，旨在為相關工程人員提供設計參考。

2 48 V動力系統構型原理

2.1 48 V動力系統構型方案

48 V 微混合動力汽車的動力系統結構（如圖1），主要由發動機、變速箱、BSG 電機、動力電池組、離合器、減速器以及相應的控制器組成。本文匹配的電機峰值功率為10 kW，電池峰值放電功率為12 kW，可用能量192 W·h。控制器包括整車控制器（HCU）、電池管理系統（BMS）、電機控制器（MCU）、發動機控制器（EMS）以及變速箱控制器（TCU）。其中，BSG 電機作為啟動和發電一體機，與發動機通過皮帶輪系相連，不僅能夠提供電機驅動，還能與發動機聯合共同驅動車輛，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 48 V動力系統控制原理

在48 V微混合動力系統中，基于整車控制器HCU的核心協同運行算法，通過與EMS、MCU、BMS及TCU在不同行駛狀態下的控制設計，合理分配不同動力源的扭矩輸出，可以實現多種混合動力系統功能運行模式。其中，需要HCU 做好關鍵的行駛狀態控制，具體實現包括上下電管理、發動機起停功能、駕駛員扭矩需求計算、系統扭矩分配、總成能力計算、能量管理功能以及安全監控。最終表現在實車上，可以實現的運行模式包括發動機智能起停、電爬行、怠速充電、發動機驅動、聯合驅動、行車充電、能量回收、滑行模式。

圖1 48 V動力系統構型方案

通過HCU 接收MCU 的電機參數信息，可以控制電機進入不同的工作模式，比如扭矩模式和轉速模式、以及控制電機輸出相應數值用于滿足車輛駕駛需求，實現助力、聯合驅動及能量回收功能。HCU 接收BMS的電池電壓、電流、SOC以及模式狀態，控制電池主繼電器的閉合時機，實現動力系統的上下電功能。HCU 接收EMS 的水溫、暖機請求等信號，結合整車運行狀態控制發動機的扭矩輸出和斷油，實現發動機的起停功能。HCU接收TCU的擋位信號，結合駕駛行為狀態，控制離合器打開和閉合，實現車輛的換擋功能。

2.3 48 V動力系統網絡拓撲

48 V微混合動力汽車與傳統汽車有所不同，分為48 V 高壓線路和12 V 低壓線路2 個部分，2 者之間通過電壓轉換裝置DC/DC 連接。高電壓系統承擔動力總成、空調、底盤等大功率電子器件的負載，低電壓系統則為車燈、車載電腦、顯示屏等低功率負載供電。DC/DC 主要功能是進行48 V 電池與12 V 電池之間的電壓轉換，在電量傳輸模式下，能量從48 V 電氣網絡向12 V電氣網絡傳輸，對12 V電氣網絡進行供電。

由于48 V 微混汽車新增了BSG 電機和48 V 電池等零部件，需要對原車上的CAN網絡架構進行改造或者重新設計。本文所述的48 V動力系統的CAN通信網絡架構設計結果如圖2 所示。與整車控制器HCU相連接的網絡有2路，分別為混動網絡Hybrid-CAN和動力網絡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 網絡中還可起到網關作用，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。

圖2 48 V動力系統網絡拓撲

3 發動機起停系統

發動機起停系統功能的觸發，通常是在車輛短暫停止或滑行過程中，根據駕駛操作以及功能需求的設計來控制發動機的起停，比如在短暫等紅燈時，臨時關閉發動機避免燃油消耗、或者自動觸發停機、或者在滑行過程中實現滑行起停功能。在48 V 微混汽車動力系統中，當HCU 判定汽車處于怠速運轉工況時，會依據停機的條件實現發動機停機，以克服傳統的怠速工況造成的高油耗，從而實現節能減排的目標。當駕駛員試圖行車時，HCU會依據起機條件自動發出起動指令，利用BSG 帶動發動機起動，該起動時間比傳統起動時間更短和更平順。

發動機起停系統構成如圖3所示，HCU整車控制器根據駕駛員的操作行為、各子系統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信號。通過內部模塊控制算法確定發動機的起停功能是否被觸發。如果滿足起停的觸發條件，HCU會將控制指令通過CAN 總線發送給MCU 和EMS，控制電機和發動機按既定的程序指令運行，最終實現發動機的起停控制。48 V系統發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條件判斷。

4 發動機起停控制

4.1 發動機起停條件

HCU根據48 V微混動力系統上電狀態、車輛行駛狀態、駕駛員操作行為、電池SOC 及其他各子系統狀態，決定發動機是否起機或停機，因此，需要合理設置發動機的起停條件及模塊調用機制。

在控制發動機起機時，應充分考慮滿足起機的條件，只有滿足條件時，HCU 才能控制發動機起機。相應的起機條件包括（滿足以下任意條件即可起機）：

（1）48 V電池SOC低于預設值；

（2）發動機水溫低于預設值；

（3）空調系統有打開的請求；

（4）制動真空度不足；

（5）P/N擋下，油門踏板開度大于預設值；

（6）車輛靜止時駕駛員掛入D/R 擋，車輛開始起步；

（7）發動機本身原因禁止停機的，繼續保持運行。

圖3 48 V系統發動機起停控制系統

表1 起停功能涉及零部件說明

在控制發動機停機時，應充分考慮滿足停機的條件，只有滿足條件時，HCU 才能控制發動機停機。相應的停機條件包括（均滿足以下條件時才能停機）：

（1）48 V電池SOC高于預設值；

（2）發動機水溫高于預設值；

（3）空調系統無打開的請求；

（4）制動真空度足夠；

（5）P/N擋下車速低于預設值，或者D擋下踩制動使制動壓力大于預設值；

（6）發動機沒有禁止停機的請求；

（7）電池可用功率大于預設值，滿足自動起機時的功率要求；

（8）BSG 許用功率大于預設值，滿足自動起機時的功率要求。

4.2 發動機起機控制時序

為了便于理解發動機的起機過程，繪制某款48 V車型的起機時序，如圖4所示。利用BSG 電機拖動發動機起機的控制流程要基于HCU 的信號指令。當動力系統滿足上述發動機起機條件時，HCU發送BSG電機起機信號請求，控制電機輸出起動扭矩，將發動機拖至目標轉速n1且持續預設時間＞t1，HCU發送供油請求指令，EMS 控制發動機噴油點火進入怠速模式，并保持發動機在怠速轉速附近工作，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電機和發動機的扭矩交替輸出。當發動機轉速高于預設轉速n2且維持預設時間＞t2，則發動機起動完成，EMS 應向HCU 反饋發動機起動完成的CAN信號，整個發動機起機過程結束。

圖4 發動機起機控制時序

4.3 發動機停機控制時序

發動機停機的控制方法要基于HCU 的斷油信號指令，發動機停機的控制時序如圖5所示。HCU根據整車及零部件狀態判斷條件是否符合停機，當符合停機要求時，HCU 通過向EMS 發送斷油請求，此時EMS應快速響應HCU發送的斷油請求，控制發動機轉速從怠速轉速逐步降低，使得發動機完成從怠速工作狀態至斷油停機的控制。當發動機轉速低于預設轉速n3且維持預設時間＞t3，則發動機停機完成，EMS 應向HCU 反饋發動機停機完成的CAN 信號，整個發動機停機過程結束。

圖5 發動機停機控制時序

5 發動機起停試驗分析

為了驗證利用BSG 電機起動發動機的優勢，通過在某輛匹配48V 系統的汽車上進行發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，通過內部控制模塊能夠有效地觸發起機程序，從試驗結果可以看出，起動時利用BSG 電機拉動發動機，起機時間縮短至0.3 ～0.5 s，如圖6 所示。這種起機方式通過BSG 電機將發動機快速拉升至怠速區，實現噴油點火起機，可以較大程度地縮短起動時間，并提高車輛起機平順性。

圖6 BSG電機起動過程分析

6 主動預測起停功能

6.1 智能網聯信息采集系統

當前汽車行業正朝著新四化的方向發展，即電動化、網聯化、智能化和共享化。以電動化為基礎實現節能出行，以網聯化為紐帶實現大數據共享，以智能化為方向實現美妙出行，這些或將成為汽車實現終極智能駕乘目標的可行途徑。在新能源汽車先進技術開發方面，智能的主動預測功能開發也成為了一大熱點，為此，本文提出和論述基于多維度、多路況的發動機主動預測起停功能的開發方案。

在主動預測發動機起停功能時，需要智能網聯控制系統對車輛行駛狀態、駕駛行為狀態以及路況環境狀態進行監控，如圖7所示。智能網聯對采集的數據信息進行預處理，并把參數結果發給HCU，HCU 基于智網參數信息以及各動力源的實時運行狀態主動預測發動機起停時機。

圖7 智能網聯信息采集方案

（1）車輛行駛狀態監控

通過傳感器設備和CAN網絡總線，獲取車輛的行駛車速、車輛加速度、車輛擋位信息等參數，為整車控制系統提供參數輸入。

（2）駕駛行為狀態監控

通過傳感器獲取油門踏板和制動踏板參數，通過CAN網絡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，比如有經濟模式、運動模式或雪地模式等。

（3）路況環境狀態監控

通過傳感器設備和CAN 網絡總線，獲取轉向行車等參數，通過智能網聯大數據(結合GPS導航數據)，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，為主動預測起停提供數據支撐。

6.2 主動預測起停系統

根據智能網聯控制系統實時采集和監控到的信息，HCU再結合各總成的運行狀態，實現基于多維度、多路況的起停預測功能，如圖8所示。根據發動機轉速、扭矩和節氣門開度、變速箱輸出軸轉速和扭矩、電池SOC、電流和電壓、電機轉速、扭矩、電流和電壓等參數來提前制定發動機的起停控制策略，做到提前識別何時起動發動機，進一步優化工作區域，減少油耗和排放。

圖8 基于多維度的起停預測功能方案

通過車輛裝配的智能網聯控制系統，包括感知設備和通信設備等，HCU可以實時獲取自身車輛的行駛狀態、前方車輛行駛狀態以及路口紅綠燈時間等信息。比如當發現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。當車處于紅綠燈交叉路口，利用導航數據算出停車等待時間，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測起停功能，利用雷達，攝像頭，GPS導航數據，提前了解車輛前方的路況信息，利用先進控制技術實現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前景。

7 結束語

48 V 微混動力系統是一種能夠有效折中成本和節油率的混合動力節能技術，通過有效的發動機起停控制技術開發，不僅能夠優化發動機運行、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48 V微混動力系統的構型方案、控制原理，著重分析了發動機起停功能、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，針對智能控制技術發展，可以基于多維度、多工況進行主動預測起停功能的開發，為新能源汽車新四化的發展添磚加瓦，為相關工程人員提供設計參考。

未來，隨著汽車智能化的不斷發展，部件需要消耗的能量會越來越大，僅靠12 V電池供電已不能完全滿足需求，而48 V 系統可以帶來部件或子系統的優化，推動更多部件電壓等級提升和新功能的開發。同時，在能源緊張、法規日趨嚴格和汽車新四化發展的背景下，48 V系統將會有非常大的應用潛力。