48 V系統(tǒng)搭載轎車項目加速助力過程動力系統(tǒng)集成及匹配標定

劉嘉

（同濟大學 200092）

1 概述

2011年，德國五大汽車制造集團奧迪寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾聯(lián)合宣布開發(fā)48 V系統(tǒng)。48 V電氣系統(tǒng)架構在滿足整車用電需求的同時，兼顧節(jié)能減排，是滿足日益嚴苛的排放法規(guī)的最優(yōu)動力總成方案之一。兼顧安全、環(huán)保，增加燃油經(jīng)濟性的同時提示汽車動力性，同時相比其他新能源動力總成方案，48 V弱混系統(tǒng)有著巨大的成本優(yōu)勢，更容易被消費者接受[1]。

2 加速助力模式分析及管理

根據(jù)發(fā)動機與BSG電機不同工種狀態(tài)，可將車輛分為：純發(fā)動機模式、加速助力模式、制動能量回收模式、行車發(fā)電模式等四種工作模式。加速助力模式是指在滿足一定的加速踏板開度和動力電池SOC狀況下，當車輛加速時，BSG電機通過皮帶向發(fā)動機輸出一定的扭矩助力。在加速助力模式下，BSG電機的快速響應及短時間內(nèi)可輸出最大扭矩的特性，可以幫助發(fā)動機度過瞬態(tài)的扭矩不足，不需進行燃油加濃處理，縮短瞬態(tài)過渡時間，在保證輸出扭矩的同時，發(fā)動機始終處于最優(yōu)工作區(qū)間。

3 助力模式扭矩協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

48 V系統(tǒng)在加速助力模式下，其表現(xiàn)效果受多方面因素影響，其中動力電池SOC狀態(tài)作為條件限制，直接決定BSG電機是否可以參與進行輔助力矩輸出。另一方面， BSG電機本身的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率都直接影響加速助力的表現(xiàn)。

在加速助力模式下，通過對發(fā)動機和BSG電機輸出扭矩的合理分配。在滿足車輛的加速需求的同時，保證發(fā)動機處于最佳工作區(qū)間，保證燃油消耗的最小和排放的最優(yōu)是助力模式控制策略的根本目標。

圖1 助力模式的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略框圖

發(fā)動機的輸出扭矩Men可表示發(fā)動機總扭矩Mcom與其他扭矩之差：

Men=Mcom-Mfriction+Macc+Madaption+Mres

其中，其他扭矩包括：摩擦扭矩Mfriction；發(fā)動機附件扭矩Macc；發(fā)動機自適應補償扭矩Madaption；發(fā)動機預留扭矩Mres。

而車輛在加速過程中所需要的總扭矩M，在48 V系統(tǒng)的助力模式中可表示為發(fā)動機輸出準據(jù)Men與BSG電機提供的輔助扭矩之和：

M=Men+MBSG

在實際過程中，車輛在加速過程需求的總扭矩M ，與車輛當時的形式速度、加速需求、油門踏板的變化度有關，根據(jù)車輛的動力學經(jīng)驗模型可以獲得。

在加速助力模式中，應盡可能的減小發(fā)動機扭矩的增幅，同時利用BSG電機響應快的特性，使BSG電機盡快達到最大扭矩彌補扭矩不足，滿足車輛加速的總扭矩需求。同時由于電機和動力電池的特性，48 V系統(tǒng)BSG電機不能長時間工作于助力模式，這又對BSG電機輸出輔助扭矩的時間和扭矩值提出了要求。在加速助力模式初期，應盡量減少發(fā)動就扭矩增幅幅值，以BSG電機的輔助扭矩進行快速補充；在加速助力中期，結合48 V系統(tǒng)BSG電機和動力電池的性能和壽命，可適當增加發(fā)動機扭矩增幅。在綜合以上因素，制定扭矩協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。

借鑒同濟大學新能源控制中心趙治國教授等人提出的48 V系統(tǒng)加速助力模式下發(fā)動機扭矩決策的實時性能指標函數(shù)[2]：

式中，Q為描述加速助力模式中發(fā)動機扭矩相應能力的權重系數(shù)，R為描述加速助力模式中48 V BSG電機提供輔助扭矩持續(xù)時間的權重系數(shù),這兩個系數(shù)可由模糊控制器進行修正。T_lag(j)為發(fā)動機扭矩的滯后量，T_lag_max為反應發(fā)動機扭矩滯后量的最大值；T_err(j)是單步發(fā)動機扭矩與目標駕駛員扭矩誤差。T_err_max為該誤差的單步最大值[3]。

4 加速助力過程中的試驗研究數(shù)據(jù)分析

4.1 加速助力過程排放分析

在加速測試的工況循環(huán)中，CO2排放量累計減少78.9 g，折算后油耗減少了3.58%。傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車輛在加速過程中，一般來說，在控制策略上都進行噴油加濃，造成燃料浪費和排放問題。48 V弱混系統(tǒng)車輛在加速過程中，由48 V BSG電機提供一定的扭矩助力，控制節(jié)氣開度，不需要進行噴油加濃處理，進而降低了油耗[5]。在NEDC工況循環(huán)下，車輛從0加速到70 km/h,由于BSG電機提供的扭住助力，48 V弱混系統(tǒng)車輛的瞬時油耗相比傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車輛降低8%～12%。

4.2 加速性能測試及分析

圖2 原車型從0～70 km/h的加速過程

圖3 48 V型從0～70 km/h的加速過程

48 V弱混系統(tǒng)在加速過程中，由于48 V BSG電機增矩相應更迅速，更容易控制，可在短時間內(nèi)達到最大輸出功率，提供最大輔助扭矩，改善排放的同時增加了車輛的駕駛性，提高了車輛的加速性能[6]。

由圖2與圖3所示，傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車型從0～70 km/h的加速時間為8.8 s，48 V弱混系統(tǒng)車型從0～70 km/h的加速時間為7.7 s，縮短1.1 s，時間減少12.5%。

傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車型從0～70 km/h的加速時間為5.0 s，48 V弱混系統(tǒng)車型從0～70 km/h的加速時間為3.8 s，縮短1.2 s，時間減少24%。在電子油門踏板完全采下狀態(tài)，傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車型從60～90 km/h的加速時間為13.2 s，48 V弱混系統(tǒng)車型從60～90 km/h的加速時間為11.2 s，縮短了2 s，用時減少率為15.15%。

5 結束語

本章通過對48 V系統(tǒng)加速過程中，BSG電機扭矩助力模式關及分析，制定加速助力過程中扭矩協(xié)調(diào)優(yōu)化策略。通過實車測試表明，相對于傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)，48 V系統(tǒng)由于BSG電機的介入，在加速階段提供扭矩助力，彌補發(fā)動機由于不進行噴油加濃帶來的不足，滿足車輛車輛的加速需求，在加速過程中瞬時油耗更低，節(jié)油3.7%，減少CO2累計減少78.9 g,提升車輛在加速階段的動力性能。