48 V ISG微混動力系統(tǒng)車輛整車控制策略研究

程吉鵬，陳丁躍，姜良超

(長安大學， 西安 710064)

由于現(xiàn)有傳統(tǒng)ICE車型很難通過提高發(fā)動機的燃油效率來達到新的油耗排放目標，故車輛混動化和純電動化是最佳的解決方案[1-6]。但是由于成本高、系統(tǒng)復雜、量產難度大等問題，強混以及車輛純電動化在短期內無法大量普及。車輛48 V電氣系統(tǒng)作為一種微混系統(tǒng)，與強混車輛相比，未達到60 V隔離電壓的安全限值，安全成本低。因48 V與12 V共同存在，且電機主要提供助力和制動能量回收，故結構簡單，成本更低，卻可實現(xiàn)大部分的節(jié)能效果[7-10]。

1 48 V ISG微混動力系統(tǒng)架構及安裝位置

48 V ISG(微混動力系統(tǒng))是在現(xiàn)有傳統(tǒng)原型車的12 V鉛酸蓄電池及電氣網路的基礎上，額外增加了48 V鋰離子電池、ISG電動/發(fā)電機(在此選用永磁同步電機)以及DC/DC轉化器等，其中：12 V網路主要處理傳統(tǒng)負載，如照明、儀表、音響系統(tǒng)與電子模塊等；48 V系統(tǒng)主要支持再生制動、快速啟停、功率輔助等。系統(tǒng)基本架構如圖1所示。

從成本、傳動效率、制動能量回收效率、能否直接實現(xiàn)啟停、能否純電動行駛及功率輔助等因素考慮，在發(fā)動機與現(xiàn)有離合器之間安裝電動/發(fā)電機，同時在電動/發(fā)電機與發(fā)動機之間再安裝1個離合器。但該方案存在軸向尺寸過長的劣勢，可通過發(fā)動機減缸、離合器與電機或發(fā)動機一體化等方案進行解決，在此不作過多研究?；静贾眯问饺鐖D2所示。

圖2 48 V微混動力系統(tǒng)布置形式

2 48 V ISG微混動力系統(tǒng)主要參數(shù)確定

本文選用的原型車整車基本參數(shù)如表1所示。參考最新的混合動力汽車的國家標準及目前國內外的微混汽車的動力性能指標，制定整車目標參數(shù)如表2所示。

表1 整車基本參數(shù)

48 V 微混汽車動力系統(tǒng)的部件主要有發(fā)動機、48 V電機(ISG)、48 V動力電池和變速器。因發(fā)動機和傳動系相關參數(shù)仍采用原型車參數(shù)，故只需確定微混系統(tǒng)的動力電池、ISG電機參數(shù)即可。依據(jù)基本參數(shù)以及目標參數(shù)，考慮到車輛動力性以及功率裕度等因素，確定48 V ISG微混動力系統(tǒng)的ISG電機參數(shù)、動力電池參數(shù)如表3、4所示。

表4 動力電池基本參數(shù)

3 整車控制策略的制定

48 V微混汽車行駛模式主要有純發(fā)動機運行、純電動運行、混合動力運行、行車發(fā)電運行。當汽車正常行駛時，發(fā)動機的工作狀態(tài)可以通過發(fā)動機的萬有特性圖來確定。通?？梢酝ㄟ^以下3條曲線來劃分發(fā)動機的工作狀態(tài)： 發(fā)動機外特性曲線，即Te-max曲線；發(fā)動機的最佳工作曲線，即發(fā)動機的燃油經濟性最優(yōu)曲線——Te-opt曲線；電機的最大輸出轉矩即Tm max曲線。通過這3條曲線可以將發(fā)動機的工作區(qū)劃分為4個部分： 純電動工作區(qū)、純發(fā)動機工作區(qū)、混合動力(電機功率輔助)工作區(qū)和行車充電工作區(qū)。發(fā)動機工作區(qū)劃分如圖3所示。

圖3 發(fā)動機工作區(qū)間劃分

當汽車正常行駛的過程中，通過傳感器可以直接獲得車速、加速踏板行程、制動踏板行程以及動力電池荷電狀態(tài)(SOC)等狀態(tài)量，而整車需求轉矩(包括制動轉矩和驅動轉矩)可以通過以上的狀態(tài)量間接計算得到。根據(jù)動力電池荷電狀態(tài)的兩個限值SOC1和SOCh可以將動力電池的荷電狀態(tài)分為電量較低、電量適中和電量充足3個狀態(tài)[11-12]； 根據(jù)發(fā)動機萬有特性圖的曲線Te-max、Te-opt和電機的最大輸出轉矩曲線Tm max將發(fā)動機的工作區(qū)間分為純電動、純發(fā)動機、混合動力(電機功率輔助)工作區(qū)和行車充電4個工作區(qū)。下面根據(jù)電池電量狀態(tài)和需求轉矩位于發(fā)動機工作區(qū)間的不同來確定整車工作模式，進而確定發(fā)動機和電機各自輸出轉矩。通過制定以下的整車控制策略來實現(xiàn) 48 V汽車的整車能量的合理利用，達到降低油耗的目的。

3.1 整車驅動控制策略

本文由電池組電量低限值(SOC1，設為 0.3)和高限值(SOCh，設為 0.8)可以將電池組電量狀態(tài)分為3個區(qū)：[0～0.3]，此時電池組電量較低，需要根據(jù)實際情況對電池組進行充電；[0.3～0.8]，此時電池組電量適中，根據(jù)需要既可以讓電池組對外放電，也可以對電池組進行充電；[0.8～1]，此時電池組電量充足，需要根據(jù)實際情況讓電池組對外放電。

1) 當電池的電量處于低電量狀態(tài)時，即SOC

① 當整車需求轉矩小于發(fā)動機的最優(yōu)轉矩，且整車需求轉矩與ISG電機在當前轉速下的最大發(fā)電轉矩之和小于發(fā)動機的最優(yōu)工作轉矩時，ISG以發(fā)電機的形式發(fā)電為蓄電池充電，ISG的發(fā)電轉矩為當前轉速下的最大發(fā)電轉矩，發(fā)動機的輸出轉矩包括驅動整車行駛和帶動ISG發(fā)電兩部分，此時運行模式為行車發(fā)電模式。

② 當整車需求轉矩小于發(fā)動機的最優(yōu)轉矩，且整車需求轉矩與電機在當前轉速下的最大發(fā)電轉矩之和超過發(fā)動機的最優(yōu)工作轉矩時，ISG以發(fā)電機的形式發(fā)電為蓄電池充電。發(fā)動機的輸出轉矩為最優(yōu)工作轉矩，ISG電機發(fā)電轉矩為整車的需求轉矩與發(fā)動機的輸出轉矩之差，整車此時運行模式為行車發(fā)電模式。

③ 當整車需求轉矩介于發(fā)動機的最優(yōu)轉矩與發(fā)動機的最大轉矩(當前轉速下發(fā)動機外特性曲線對應的轉矩)之間時，發(fā)動機處于高效工作區(qū)，發(fā)動機的輸出轉矩為整車的需求轉矩，電機輸出轉矩為0，整車工作模式為發(fā)動機單獨驅動模式，電機跟隨發(fā)動機空轉。

④ 當整車需求轉矩大于發(fā)動機的最大轉矩時，此時電池電量不足，為保護動力電池，發(fā)動機的輸出轉矩為最大轉矩，電機輸出轉矩為0，整車采用發(fā)動機單獨驅動模式，電機跟隨轉動。

2) 當電池的電量適中，即SOC1

① 當整車的需求轉矩小于電機的最大驅動轉矩時，此時發(fā)動機的工作效率很低，電機的輸出轉矩為整車的需求轉矩，發(fā)動機停止工作，輸出轉矩為0，此時采用電機單獨驅動模式。

② 當整車需求轉矩介于電機的最大輸出轉矩與發(fā)動機的最優(yōu)轉矩之間時，ISG 以發(fā)電機的形式發(fā)電為蓄電池充電，ISG 的發(fā)電轉矩為當前轉速下的最大發(fā)電轉矩，發(fā)動機的輸出轉矩包括驅動整車行駛和帶動 ISG 發(fā)電兩部分,此時運行模式為行車發(fā)電模式。

③ 當整車需求轉矩大于發(fā)動機的最優(yōu)轉矩小于最大轉矩，且小于最優(yōu)轉矩與電機的最大驅動轉矩之和時，發(fā)動機的工作點離最優(yōu)轉矩曲線較近，發(fā)動機處于高效工作區(qū)，發(fā)動機的輸出轉矩為整車需求轉矩，電機輸出轉矩為0，采用發(fā)動機單獨驅動模式，電機跟隨轉動。

④ 當整車需求轉矩大于發(fā)動機的最優(yōu)轉矩小于最大轉矩，且大于最優(yōu)轉矩與電機的最大驅動轉矩之和時，發(fā)動機的工作點離最優(yōu)工作轉矩曲線較遠，電機的輸出轉矩為最大驅動轉矩，發(fā)動機的輸出轉矩為整車需求轉矩與電機的輸出轉矩之差，整車采用混合驅動模式。

⑤ 當整車的需求轉矩大于發(fā)動機的最大轉矩時，電機輸出轉矩為最大驅動轉矩，發(fā)動機的輸出轉矩為整車需求轉矩與電機的輸出轉矩之差，整車采用混合驅動模式。

3) 當電池組的電量充足，即SOC>SOCh時：

① 當整車需求轉矩小于電機的最大輸出轉矩時，此時發(fā)動機的工作效率很低，發(fā)動機停止工作，輸出轉矩為0，電機輸出轉矩為整車需求轉矩，整車采用電機單獨驅動工作模式。

② 當整車的需求轉矩介于電機的最大輸出轉矩與最優(yōu)轉矩之間時，發(fā)動機輸出轉矩為整車需求轉矩，電機輸出轉矩為0，整車采用發(fā)動機單獨驅動模式，電機跟隨轉動。

③ 當整車需求轉矩大于發(fā)動機的最優(yōu)轉矩小于最大轉矩，且小于最優(yōu)轉矩與電機的最大驅動轉矩之和時，發(fā)動機的工作點離最優(yōu)轉矩曲線較近，發(fā)動機處于高效工作區(qū)，發(fā)動機的輸出轉矩為整車需求轉矩，電機輸出轉矩為0，此時采用發(fā)動機單獨驅動模式，電機跟隨轉動。

④ 當整車需求轉矩大于發(fā)動機的最優(yōu)轉矩小于最大轉矩，且大于最優(yōu)轉矩與電機的最大驅動轉矩之和時，發(fā)動機的工作點離最優(yōu)工作轉矩曲線較遠，電機的輸出轉矩為最大驅動轉矩，發(fā)動機的輸出轉矩為整車需求轉矩與電機的輸出轉矩之差，整車采用混合驅動模式。

⑤ 當整車的需求轉矩大于發(fā)動機的最大轉矩時，電機輸出轉矩為最大驅動轉矩，發(fā)動機的輸出轉矩為整車需求轉矩與電機的輸出轉矩之差，整車采用混合驅動模式。

3.2 整車制動控制策略

根據(jù)汽車的運行狀況合理地利用 48 V微混汽車的制動能量回收模式，回收制動過程損失的能量，優(yōu)化整個系統(tǒng)的能量利用，提高整車的燃油經濟性。制動強度(BP)指的是汽車在減速制動過程中制動減速度與重力加速度的比值。制動強度越大，說明駕駛員踩制動踏板的程度越深，制動減速度越大，所以制動效果也就越好。由于汽車的制動性能并不是本文研究的重點，為了簡化計算，本文制動強度的大小由仿真軟件得到，BP 的取值范圍為[0,1]。根據(jù)制動強度的不同，整車的制動模式分為3種： 完全采用機械制動器實現(xiàn)的機械制動、電機發(fā)電實現(xiàn)制動的再生制動以及聯(lián)合制動(電機再生制動與機械制動器聯(lián)合制動)[13-15]。

1) 小制動強度時汽車制動需要的制動力矩可以完全由電機的再生制動轉矩來提供，此時電機以發(fā)電機的形式運行來提供制動力矩。

2) 大制動強度時制動需要的制動力矩已經超過電機能夠提供的再生制動力矩，電機仍以發(fā)電機的形式運行輸出最大再生制動力矩，不足的制動力矩由機械制動提供。

3) 緊急制動時需要的制動力矩過大，遠遠超出了電機能夠提供的制動力矩，說明情況緊急，處于安全的考慮，此時制動力矩完全由機械制動器來提供。

除此之外，考慮車速對制動過程的影響，當車速過低時，電機轉矩脈動比較大，不適合回收制動能量，而且車速過低時能夠回收的能量相當有限。因此，本文根據(jù)相關資料，將制定的再生制動模式能夠觸發(fā)的最低車速設置為10 km/h。當車速低于 10 km/h 時，不管制動強度如何，仍采用機械制動模式。除此之外，當電池 SOC>0.8時，制動模式只采用機械制動。

依據(jù)上述控制策略以及相關參數(shù)，利用Cruise和Simulink聯(lián)合仿真，得到48 V微混動力系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。

圖4 48 V微混動力系統(tǒng)仿真模型

4 仿真結果分析

根據(jù)本文制定的目標和計劃，選擇國內最常用的新的歐洲循環(huán)工況(new european driving cycle,NEDC)進行仿真。

4.1 48 V微混動力系統(tǒng)運行狀態(tài)分析

圖5為發(fā)動機的輸出轉矩曲線。從圖5中可以看出：發(fā)動機主要工作是在最優(yōu)工作曲線(最佳燃油經濟線)和最大轉矩(外特性)曲線處，這與本文制定的整車控制策略完全符合。當整車需求轉矩較小時，發(fā)動機停止轉矩輸出，由ISG電機單獨輸出轉矩驅動整車運行。在某些道路擁擠以及等紅燈的工況下，發(fā)動機在ISG電機的帶動下穩(wěn)定在一定轉速，然后需要發(fā)動機工作時在ISG的帶動下快速啟動，減少了發(fā)動機在小負荷、燃油經濟性較差工況的工作時間。當整車需求轉矩較高或者電池電量過低時，發(fā)動機開始工作，輸出轉矩驅動汽車行駛或者帶動ISG電機發(fā)電。微混系統(tǒng)合理地調節(jié)發(fā)動機的工作時間，提高了整車的燃油經濟性。

圖5 發(fā)動機輸出轉矩曲線

圖6為ISG電機的輸出轉矩曲線。從圖6中可以看出：ISG電機具有響應快的特性，可以在驅動和發(fā)電模式之間快速切換；電機輸出轉矩為正時表示電機采用驅動形式工作，汽車處于純電動為整車提供輔助動力；電機輸出轉矩為負時，表示汽車行駛于行車充電或者再生制動模式，電機以發(fā)電機的形式工作發(fā)電為動力電池充電。ISG電機的加入，不僅使發(fā)動機更多地在高效工作，而且減少了整車在制動過程的能量損失，提高了系統(tǒng)的總效率。

圖7為整車運行過程中電池的電流變化曲線。從圖7中可以看到：電流隨著充放電狀態(tài)而變化，呈現(xiàn)波浪形。電流為負表示在進行充電，為正表示此時在驅動模式下，從仿真結果可以看出，48 V系統(tǒng)工作充放電電流在[-160,160]之間。這與12 V系統(tǒng)工作電流接近，表明制定的整車控制策略比較合理。

圖6 ISG電機輸出轉矩曲線

圖7 電池電流曲線

圖8為整車運行過程中電池的電壓SOC變化曲線。從圖8中可以看到：電池的電壓變化比較平穩(wěn)，電池SOC隨著充放電狀態(tài)而變化，呈現(xiàn)波浪形。當ISG電機處于驅動模式時，電池放電，SOC值下降，隨著電量的減少電池電壓也逐漸降低；當ISG電機處于發(fā)電模式時，電池充電，SOC值升高，電池電壓也呈上升趨勢。仿真模型中，電池初始SOC為0.7，仿真結束時SOC為0.674，仿真前后電池電量狀態(tài)變化在3%以內，保證了本文后面燃油經濟性仿真結果的有效性。整個仿真過程中，SOC一直處在設定的[0.3,0.8]工作區(qū)間內，表明制定的整車控制策略比較合理。

4.2 48 V微混動力系統(tǒng)動力性仿真分析

48 V微混動力系統(tǒng)車輛的動力性仿真計算主要包括3個方面： 最高車速、百公里加速時間和最大爬坡度。圖9為該車的全負荷加速曲線，圖10為最大爬坡度曲線。

圖8 電池電壓與SOC變化曲線

圖9 全負荷加速曲線

圖10 最大爬坡度曲線

從圖9和圖10可知：48 V汽車的百公里加速時間小于 12 s，最高車速達到120 km/h，最大爬坡度大于32%，符合前期設計的微混汽車的百公里加速時間小于12 s、最高車速達到120 km/h 和最大爬坡度大于30%的動力性指標，故本文設計的微混汽車的動力性符合要求。

4.3 48 V微混動力系統(tǒng)車輛與原型車經濟性、排放性對比

建立原型車的Cruise仿真模型，如圖11所示。設置NEDC循環(huán)工況，對比安裝有48 V微混動力系統(tǒng)的車輛與原型車經濟性、排放性對比。

圖11 原型車Cruise模型

表5為48 V微混汽車與傳統(tǒng)汽車在 NEDC 循環(huán)工況下的仿真結果對比。從表5中可以看出：

1) 48 V微混汽車與參考的傳統(tǒng)汽車相比較，污染物 NOx、CO、HC 排放分別減少了26.4%、54.1%和 48.1%，排放性能有了明顯的提高。

2) 與參考的傳統(tǒng)汽車相比較，48 V微混汽車百公里油耗減少了 11.2%，有效提高了燃油經濟性。

表5 微混車輛與原型車仿真結果對比

5 結束語

本文首先提出48 V微混動力系統(tǒng)架構及安裝位置，而后確定主要目標參數(shù)并基于Cruise、Simulink軟件建立了整車模型，設置了整車及各部件的參數(shù)，并將整車模型與控制策略進行了連接；然后進行了48 V微混汽車的仿真實驗，并且進行了同等基本參數(shù)的原型車的仿真；最后對比分析了48 V微混汽車和同等參數(shù)配置的傳統(tǒng)汽車的仿真結果。結果表明：48 V微混汽車與傳統(tǒng)汽車相比較，在保證了動力性的前提下，具有更好的燃油經濟性和排放性能。