劉嘉

（同濟(jì)大學(xué) 200092）

1 概述

2011年，德國(guó)五大汽車(chē)制造集團(tuán)奧迪寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾聯(lián)合宣布開(kāi)發(fā)48 V系統(tǒng)。48 V電氣系統(tǒng)架構(gòu)在滿(mǎn)足整車(chē)用電需求的同時(shí)，兼顧節(jié)能減排，是滿(mǎn)足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)的最優(yōu)動(dòng)力總成方案之一。兼顧安全、環(huán)保，增加燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提示汽車(chē)動(dòng)力性，同時(shí)相比其他新能源動(dòng)力總成方案，48 V弱混系統(tǒng)有著巨大的成本優(yōu)勢(shì)，更容易被消費(fèi)者接受[1]。

2 加速助力模式分析及管理

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)與BSG電機(jī)不同工種狀態(tài)，可將車(chē)輛分為：純發(fā)動(dòng)機(jī)模式、加速助力模式、制動(dòng)能量回收模式、行車(chē)發(fā)電模式等四種工作模式。加速助力模式是指在滿(mǎn)足一定的加速踏板開(kāi)度和動(dòng)力電池SOC狀況下，當(dāng)車(chē)輛加速時(shí)，BSG電機(jī)通過(guò)皮帶向發(fā)動(dòng)機(jī)輸出一定的扭矩助力。在加速助力模式下，BSG電機(jī)的快速響應(yīng)及短時(shí)間內(nèi)可輸出最大扭矩的特性，可以幫助發(fā)動(dòng)機(jī)度過(guò)瞬態(tài)的扭矩不足，不需進(jìn)行燃油加濃處理，縮短瞬態(tài)過(guò)渡時(shí)間，在保證輸出扭矩的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力電池SOC狀態(tài)作為條件限制，直接決定BSG電機(jī)是否可以參與進(jìn)行輔助力矩輸出。另一方面， BSG電機(jī)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(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和BSG電機(jī)輸出扭矩的合理分配。在滿(mǎn)足車(chē)輛的加速需求的同時(shí)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)。

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(dòng)機(jī)的輸出扭矩Men可表示發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)附件扭矩Macc；發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)補(bǔ)償扭矩Madaption；發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)留扭矩Mres。

而車(chē)輛在加速過(guò)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(dòng)機(jī)輸出準(zhǔn)據(jù)Men與BSG電機(jī)提供的輔助扭矩之和：

M=Men+MBSG

在實(shí)際過(guò)程中，車(chē)輛在加速過(guò)程需求的總扭矩M ，與車(chē)輛當(dāng)時(shí)的形式速度、加速需求、油門(mén)踏板的變化度有關(guān)，根據(jù)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢垣@得。

在加速助力模式中，應(yīng)盡可能的減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的增幅，同時(shí)利用BSG電機(jī)響應(yīng)快的特性，使BSG電機(jī)盡快達(dá)到最大扭矩彌補(bǔ)扭矩不足，滿(mǎn)足車(chē)輛加速的總扭矩需求。同時(shí)由于電機(jī)和動(dòng)力電池的特性，48 V系統(tǒng)BSG電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間工作于助力模式，這又對(duì)BSG電機(jī)輸出輔助扭矩的時(shí)間和扭矩值提出了要求。在加速助力模式初期，應(yīng)盡量減少發(fā)動(dòng)就扭矩增幅幅值，以BSG電機(jī)的輔助扭矩進(jìn)行快速補(bǔ)充；在加速助力中期，結(jié)合48 V系統(tǒng)BSG電機(jī)和動(dòng)力電池的性能和壽命，可適當(dāng)增加發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)大學(xué)新能源控制中心趙治國(guó)教授等人提出的48 V系統(tǒng)加速助力模式下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩決策的實(shí)時(shí)性能指標(biāo)函數(shù)[2]：

式中，Q為描述加速助力模式中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩相應(yīng)能力的權(quán)重系數(shù)，R為描述加速助力模式中48 V BSG電機(jī)提供輔助扭矩持續(xù)時(shí)間的權(quán)重系數(shù),這兩個(gè)系數(shù)可由模糊控制器進(jìn)行修正。T_lag(j)為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的滯后量，T_lag_max為反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩滯后量的最大值；T_err(j)是單步發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與目標(biāo)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(guò)程中的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)分析

4.1 加速助力過(guò)程排放分析

在加速測(cè)試的工況循環(huán)中，CO2排放量累計(jì)減少78.9 g，折算后油耗減少了3.58%。傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車(chē)輛在加速過(guò)程中，一般來(lái)說(shuō)，在控制策略上都進(jìn)行噴油加濃，造成燃料浪費(fèi)和排放問(wèn)題。48 V弱混系統(tǒng)車(chē)輛在加速過(guò)程中，由48 V BSG電機(jī)提供一定的扭矩助力，控制節(jié)氣開(kāi)度，不需要進(jìn)行噴油加濃處理，進(jìn)而降低了油耗[5]。在NEDC工況循環(huán)下，車(chē)輛從0加速到70 km/h,由于BSG電機(jī)提供的扭住助力，48 V弱混系統(tǒng)車(chē)輛的瞬時(shí)油耗相比傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車(chē)輛降低8%～12%。

4.2 加速性能測(cè)試及分析

圖2 原車(chē)型從0～70 km/h的加速過(guò)程

圖3 48 V型從0～70 km/h的加速過(guò)程

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

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

傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車(chē)型從0～70 km/h的加速時(shí)間為5.0 s，48 V弱混系統(tǒng)車(chē)型從0～70 km/h的加速時(shí)間為3.8 s，縮短1.2 s，時(shí)間減少24%。在電子油門(mén)踏板完全采下?tīng)顟B(tài)，傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)車(chē)型從60～90 km/h的加速時(shí)間為13.2 s，48 V弱混系統(tǒng)車(chē)型從60～90 km/h的加速時(shí)間為11.2 s，縮短了2 s，用時(shí)減少率為15.15%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本章通過(guò)對(duì)48 V系統(tǒng)加速過(guò)程中，BSG電機(jī)扭矩助力模式關(guān)及分析，制定加速助力過(guò)程中扭矩協(xié)調(diào)優(yōu)化策略。通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試表明，相對(duì)于傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)，48 V系統(tǒng)由于BSG電機(jī)的介入，在加速階段提供扭矩助力，彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)由于不進(jìn)行噴油加濃帶來(lái)的不足，滿(mǎn)足車(chē)輛車(chē)輛的加速需求，在加速過(guò)程中瞬時(shí)油耗更低，節(jié)油3.7%，減少CO2累計(jì)減少78.9 g,提升車(chē)輛在加速階段的動(dòng)力性能。