48V輕混車型發(fā)動機與電機控制優(yōu)化性能提升

周權　閆劍韜　唐廣輝　盧銀　盧國華

摘 要：對目前常見的汽車混合動力系統(tǒng)進行了簡介。描述了一種48V混合動力車型開發(fā)過程中通過優(yōu)化改善發(fā)動機與BSG電機的控制，在怠速（或低速行駛）且大功率用電工況、ABS工況以及急加速工況下存在問題的解決。為達到預期的設計效果及性能目標，需注重發(fā)動機控制系統(tǒng)與BSG電機控制系統(tǒng)的協(xié)同匹配。對于后續(xù)深度混合動力系統(tǒng)的開發(fā)具有很好的積累及推進作用。

關鍵詞：48V輕混 發(fā)動機 BSG電機 控制優(yōu)化

1 混合動力汽車簡介

混合動力汽車（Hybrid Vehicle）是指車輛驅動系統(tǒng)由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系統(tǒng)聯(lián)合組成的車輛，車輛的行駛功率依據(jù)實際的車輛行駛狀態(tài)由單個驅動系統(tǒng)單獨或共同提供[1]。

車輛驅動系統(tǒng)由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系統(tǒng)聯(lián)合組成，車輛的行駛功率依據(jù)實際的車輛行駛狀態(tài)由單個驅動系統(tǒng)單獨或共同提供。根據(jù)在混合動力系統(tǒng)中混合度（電機功率/總功率）的不同，混合動力系統(tǒng)可以分為以下三類：

1、微混合動力系統(tǒng)。依靠大容量12V蓄電池提供能源實現(xiàn)自動啟停，混合度約5%。

2、輕中度混合動力系統(tǒng)。（1）在減速和制動工況下，對部分能量進行回收;（2）在汽車處于加速或者大負荷工況時，電動機能夠輔助驅動車輪，從而補充發(fā)動機本身動力輸出的不足及響應滯后，從而更好的提高整車的性能。混合度可以達到30%左右。

3、完全混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了272-650v的高壓啟動電機，混合程度更高。與中混合動力系統(tǒng)相比，完全混合動力可以純電動方式行駛一定的里程（如五、六十公里），系統(tǒng)的混合度可以達到甚至超過50%。相關技術的發(fā)展將使得完全混合動力系統(tǒng)逐漸成為混合動力技術的主要發(fā)展方向[2]。

2 48V輕混車型混動系統(tǒng)架構

該混合動力車型為輕混系統(tǒng)，P0結構，48V BSG（Belt-driven starter/generator） 啟停/發(fā)電機通過皮帶輪與汽油機曲軸帶輪相連（如圖1）。BSG電機發(fā)電48V經(jīng)由DCDC模塊送至48V儲能鋰電池，鋰電池經(jīng)DCDC可釋放電量給12V電瓶及車用電器（如圖2）。根據(jù)實際運行工況，BSG電機可以進行助力或是能量回收。

3 混動系統(tǒng)發(fā)動機與電機控制優(yōu)化

在某BSG混動車型開發(fā)過程中，對以下工況進行了發(fā)動機及電機控制的優(yōu)化。

1）48V系統(tǒng)充電方案改進：

試驗問題發(fā)現(xiàn)：開發(fā)汽油機+48V BSG電機混合動力車型，怠速驗證BSG電機充電能力。當12V及48V電池電量處于接近其最低值的初始狀態(tài)，且整車大負載用電（開空調、開前后雨刮、開大燈、打雙閃、開后窗加熱、升降玻璃等）測試過程發(fā)現(xiàn)以下問題：1）怠速80分鐘以后，出現(xiàn)48V系統(tǒng)故障報警，即48V系統(tǒng)無法給12V蓄電池充電，繼續(xù)怠速（行車）將干耗12V蓄電池電量，最終12V蓄電池電壓過低，無法維持整車電器工作（如發(fā)動機點火線圈）發(fā)動機自行熄火。2）怠速過程中整車有間歇性的高頻抖動、顫動。

原因分析：1）低怠速時，發(fā)動機轉速約為780RPM，通過皮帶（傳動比1：2.5）與之相連的電機轉速約為1950RPM，在大負載用電狀態(tài)下，BSG電機處于低轉速高負荷發(fā)電，電機溫度很快上升到100%額定溫度，為保護電機而進入降額發(fā)電模式，電機的發(fā)電效率較低，散熱也不佳，此時48V系統(tǒng)電量補充小于消耗，也無法給12V蓄電池補充電量，導致12V蓄電池電量逐漸減少，最終出現(xiàn)低電壓報警。2）電機處于100%額定工作溫度時，電機發(fā)給汽油機響應的短時預測扭矩波動大，造成發(fā)動機轉速波動。

控制方案改進實施：1）修改ECM（發(fā)動機管理系統(tǒng)）標定控制參數(shù)，當48V電池電量低于20%時，提高發(fā)動機（怠速或行車）轉速至1400RPM，此時與之相連的BSG電機轉速可達3500RPM，發(fā)電功率及發(fā)電效率均提高（U=E=Cφn，當發(fā)電機的轉速升高時，減小來源于12V蓄電池的定子磁場電流，減小了電流損耗及發(fā)熱量，以減弱磁通φ，使φn基本保持不變，從而維持輸出端的電壓不變），此時電機本身的散熱也更好。確保在怠速或行車大用電量的同時，48V系統(tǒng)電量能較快的提升起來（電量高于30%后，發(fā)動機恢復低怠速），避免48V鋰電池及12V蓄電池饋電導致停機趴窩的風險，且延長電池使用壽命。

2）優(yōu)化BSG電機控制，在電機接近100%額定溫度時，提高了溫度信號采樣的頻率（根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率為了不失真地恢復模擬信號，采樣頻率應該不小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍。fs≥2f max），并加入適當?shù)臑V波器，平滑Derating（降額）曲線，減小了模塊過溫Derating的起始溫度值由152攝氏度至132攝氏度。從而減小高溫時電機控制模塊對電機扭矩能力估算值的波動以及變化率，減小了此工況下汽油機扭矩/轉速波動帶來的抖動，在同為溫度達到額定100%的情況下，發(fā)動機轉速波動幅度由66rpm/sec降低為12rpm/sec，很好地提升了車輛NVH。

整個過程48V鋰電池電量沒有低于18%，12V蓄電池電量均在40%以上，沒有出現(xiàn)深度放電的情況，48V實際電量較好地跟隨目標電量，沒有出現(xiàn)過大偏差（見圖3），48V、12V系統(tǒng)沒有饋電的風險。

2）急加速工況與ABS工況下BSG電機定子過流問題解決

試驗過程當車輛以60至80km/H的速度急剎車（ABS介入）或全油門一擋至三擋急加速過程中出現(xiàn)BSG電機定子過流故障（P1B25）。

分析為引發(fā)BSG電機過流故障原因為當汽油機轉速變化率（增大或減小）過高，與之同步皮帶相連（速比2.5）的電機表現(xiàn)也類似，電機失速（即由于外界影響，超出電機本身自己的速度控制范圍），最終發(fā)生過流故障。此工況下的轉速變化率很大（見圖4），發(fā)動機及電機控制的解決方案主要如下：

a）在ABS工況（高轉速變化率）下， 提高電機控制穩(wěn)定性。

b）在ABS工況（高轉速變化率）下， ECM發(fā)指令電機主動退出扭矩控制模式以避免故障。

c）在急加速工況下，ECM給電機發(fā)扭矩指令降扭降梯度，電機響應速率放慢，當轉速變化率高時，電機檢測到即將到達額定電流（如85%以上），且有趨勢繼續(xù)增大，則維持已響應的扭矩，不再響應更大的扭矩（電流），直到其他條件觸發(fā)電機模式的轉變或轉速變化率降低到一定程度電機再響應其扭矩。

電機控制程序更改了轉速變化過快時Iq reference（計算參考電流）的變化速率，進一步根據(jù)轉速變化速率修改了速度濾波器時間常數(shù)，當轉速變化率過高時，減少時間常數(shù)（香農(nóng)采樣定理，同），轉速變化率恢復正常后100ms即恢復初始值。以期提高此工況下的速度/角度測量精確度，同時在此工況下，根據(jù)PID調節(jié)原理（偏差控制，傳遞函數(shù)G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）），適當增大積分時間常數(shù)TI和微分時間常數(shù)TD，在每周期響應要求時間范圍內(nèi)做出更精確的響應避免過大超調量和超過額定值觸發(fā)報警。當轉速變化率仍過高，考慮到為已超出設計電機響應控制能力范圍，且僅為少數(shù)低頻次出現(xiàn)特殊工況，則電機退出扭矩控制功能直至轉速變化率回到正常范圍（10000rpm/sec）100ms之后，此時由發(fā)動機自行根據(jù)常規(guī)整車策略響應即可。

同時，當ABS工況下檢測到信號ABS_active為1，發(fā)動機管理系統(tǒng)ECM發(fā)出給電機的響應曲線降扭矩值、降梯度。當短時間內(nèi)（50ms）電機轉速變化率仍過高，則ECM發(fā)指令給電機進入NEUTRAL模式（即自由旋轉模式，不發(fā)電也不助力），電機退出扭矩模式（電機負扭矩時會施加阻力給發(fā)動機，通過傳動系統(tǒng)可視同為加載在車輪上的制動力）可以減小整車制動力，由汽車理論，汽車地面制動力Fb取決于制動器制動力Fμ，同時又受到地面附著力Fφ的限制，只有當制動器制動力Fμ足夠大，而且地面又能夠提供足夠大的附著力Fφ，才能夠獲得足夠大的地面制動力[3]。

減小制動器制動力Fμ后，不超過地面附著狀況所能支持的最大地面制動力Fb，減小急剎車時的抱死拖滑傾向，縮短制動距離，提高行駛安全性。當整車退出ABS工況時，電機再進入電壓模式或扭矩模式響應發(fā)動機（ECM）相關指令。

按以上方案修改優(yōu)化ECM控制程序和BSG電機控制程序在試驗車急加速和急剎車（ABS工況）多次驗證，無之前的P1B25故障報警出現(xiàn)，分析記錄數(shù)據(jù)（見圖5）可知當整車ABS功能激活（圖5中曲線6，ABS_Active值為1）時，電機扭矩（能量回饋，負扭矩，圖5中曲線4，Scu_Estimated_Torque）響應控制無大幅突變，電機轉速波動幅度在4000rpm/sec以內(nèi)（圖5中曲線1），隨著電機轉速變化率進一步增大超過10000rpm/sec，電機退出了扭矩模式進入NEUTRAL（圖5中曲線3，SCU_MM_STATUS）模式。當整車退出ABS工況后，電機隨后緊接著恢復為扭矩模式，且扭矩響應無突變，整個過程電機定子過流（圖5中曲線5，SCU_Stator_overcurrent）均為no fault（無報錯）狀態(tài)。急加速時電機扭矩（助力，正扭矩）響應也無短時大幅突變過流的現(xiàn)象，該問題得到了很好解決。

4 總結展望

混合動力車型開發(fā)過程中，發(fā)動機控制管理系統(tǒng)（ECM），驅動電機控制系統(tǒng)（MCU）這兩個動力源之間的匹配（動力、扭矩分配）最為關鍵，各工況下兩者間的相互協(xié)同輔助，對于汽車在怠速、起步、加速、減速、制動等工況下的運行效率及平順性提高具有重要作用。故需特別注重此兩控制系統(tǒng)的信號交互及協(xié)同配合，很多問題的解決需要此兩個子系統(tǒng)同時參與、同時優(yōu)化改進。

所開發(fā)的48V輕混車型滿足了公告要求，各方面達到了設計目標性能。相對無BSG系統(tǒng)的基礎車型，燃油消耗減少12%，CO2排放減少10%，整車性能提高：低速扭矩提高26N.M，百公里加速提快1.1S。以及由此帶來的起步迅速、加速較快響應等更好的駕乘平順性。此次48V輕混合動力系統(tǒng)開發(fā)的技術積累及應用經(jīng)驗對于后續(xù)的中度混合乃至全混合動力系統(tǒng)開發(fā)具有很好的積累及推動作用，在汽車節(jié)能減排的大趨勢下，具有重要意義。

參考文獻：

[1][奧]彼得.霍夫曼（Peter Hofmann）.混合動力汽車技術[M].耿毅，耿彤.北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[2]張先鋒，楊建軍，陳紅濤，聶國樂.自主品牌混動總成現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].北京：汽車工藝師，2019.

[3]余志生，汽車理論（第五版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.