伍慶龍 張?zhí)鞆?qiáng) 楊鈁

（1.中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130013）

主題詞：48 V動力系統(tǒng) 起停分析 起停控制 主動預(yù)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(huán)境污染不斷加劇，新能源汽車的研發(fā)已經(jīng)受到了各大汽車廠商的重視，市場上也已經(jīng)涌現(xiàn)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(tǒng)主要是由發(fā)動機(jī)和電驅(qū)動系統(tǒng)組成，通過先進(jìn)的整車控制和能量管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)動力性和經(jīng)濟(jì)性的提升，并降低了車輛排放?；旌蟿恿ζ嚢凑栈旌隙瓤煞譃閺?qiáng)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(tǒng)動力總成發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中匹配了BSG 電機(jī)和動力電池組[2]。與強(qiáng)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(shí)現(xiàn)降能耗和減少排放[4-5]，節(jié)油率可以達(dá)到12%以上，同時(shí)也可以匹配不同的構(gòu)型方案[6]。國內(nèi)外已有不少制造商開發(fā)了48 V系統(tǒng)及零部件，比如麥格納開發(fā)的48 V總成部件[7]、大陸電子的48 V系統(tǒng)，以及博格華納推出的e-Booster也與48 V相關(guān)[8],同時(shí)，市場上已出現(xiàn)較多的48 V量產(chǎn)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(lán)動版、江淮瑞風(fēng)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(tǒng)汽車上的發(fā)動機(jī)起?？刂萍夹g(shù)，由于采用的是12 V 啟動電機(jī)，起動時(shí)間長和起動短時(shí)不平順，造成了一些客戶的困擾。當(dāng)處于市區(qū)擁堵工況運(yùn)行時(shí)，這類缺點(diǎn)更易被放大，發(fā)動機(jī)的頻繁起機(jī)和停機(jī)嚴(yán)重影響駕駛感，同時(shí)也易降低發(fā)動機(jī)的使用壽命，而48 V 汽車電壓等級提高了，可利用BSG 電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速起停，起機(jī)時(shí)間更短且更平穩(wěn),并能夠在不同的構(gòu)型中實(shí)現(xiàn)不同的功能[9],使得發(fā)展48 V 成為了新能源節(jié)能汽車的一個(gè)重要方向[10]。由于48 V 微混合動力系統(tǒng)的特殊性，原傳統(tǒng)車的起停條件和功能設(shè)計(jì)已不能夠滿足現(xiàn)有的技術(shù)需求，因此，本文針對48 V 車輛的發(fā)動機(jī)起停功能進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)及測試，同時(shí)提出了基于多維度、多路況的發(fā)動機(jī)起停主動預(yù)測功能，旨在為相關(guān)工程人員提供設(shè)計(jì)參考。

2 48 V動力系統(tǒng)構(gòu)型原理

2.1 48 V動力系統(tǒng)構(gòu)型方案

48 V 微混合動力汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖1），主要由發(fā)動機(jī)、變速箱、BSG 電機(jī)、動力電池組、離合器、減速器以及相應(yīng)的控制器組成。本文匹配的電機(jī)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?？刂破靼ㄕ嚳刂破鳎℉CU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電機(jī)控制器（MCU）、發(fā)動機(jī)控制器（EMS）以及變速箱控制器（TCU）。其中，BSG 電機(jī)作為啟動和發(fā)電一體機(jī)，與發(fā)動機(jī)通過皮帶輪系相連，不僅能夠提供電機(jī)驅(qū)動，還能與發(fā)動機(jī)聯(lián)合共同驅(qū)動車輛，使得動力傳輸能力更強(qiáng)，同時(shí)，在車輛滑行和制動過程中還可以利用電機(jī)進(jìn)行能量回收。

2.2 48 V動力系統(tǒng)控制原理

在48 V微混合動力系統(tǒng)中，基于整車控制器HCU的核心協(xié)同運(yùn)行算法，通過與EMS、MCU、BMS及TCU在不同行駛狀態(tài)下的控制設(shè)計(jì)，合理分配不同動力源的扭矩輸出，可以實(shí)現(xiàn)多種混合動力系統(tǒng)功能運(yùn)行模式。其中，需要HCU 做好關(guān)鍵的行駛狀態(tài)控制，具體實(shí)現(xiàn)包括上下電管理、發(fā)動機(jī)起停功能、駕駛員扭矩需求計(jì)算、系統(tǒng)扭矩分配、總成能力計(jì)算、能量管理功能以及安全監(jiān)控。最終表現(xiàn)在實(shí)車上，可以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行模式包括發(fā)動機(jī)智能起停、電爬行、怠速充電、發(fā)動機(jī)驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、行車充電、能量回收、滑行模式。

圖1 48 V動力系統(tǒng)構(gòu)型方案

通過HCU 接收MCU 的電機(jī)參數(shù)信息，可以控制電機(jī)進(jìn)入不同的工作模式，比如扭矩模式和轉(zhuǎn)速模式、以及控制電機(jī)輸出相應(yīng)數(shù)值用于滿足車輛駕駛需求，實(shí)現(xiàn)助力、聯(lián)合驅(qū)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(tài)，控制電池主繼電器的閉合時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)動力系統(tǒng)的上下電功能。HCU 接收EMS 的水溫、暖機(jī)請求等信號，結(jié)合整車運(yùn)行狀態(tài)控制發(fā)動機(jī)的扭矩輸出和斷油，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的起停功能。HCU接收TCU的擋位信號，結(jié)合駕駛行為狀態(tài)，控制離合器打開和閉合，實(shí)現(xiàn)車輛的換擋功能。

2.3 48 V動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

48 V微混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車有所不同，分為48 V 高壓線路和12 V 低壓線路2 個(gè)部分，2 者之間通過電壓轉(zhuǎn)換裝置DC/DC 連接。高電壓系統(tǒng)承擔(dān)動力總成、空調(diào)、底盤等大功率電子器件的負(fù)載，低電壓系統(tǒng)則為車燈、車載電腦、顯示屏等低功率負(fù)載供電。DC/DC 主要功能是進(jìn)行48 V 電池與12 V 電池之間的電壓轉(zhuǎn)換，在電量傳輸模式下，能量從48 V 電氣網(wǎng)絡(luò)向12 V電氣網(wǎng)絡(luò)傳輸，對12 V電氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。

由于48 V 微混汽車新增了BSG 電機(jī)和48 V 電池等零部件，需要對原車上的CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行改造或者重新設(shè)計(jì)。本文所述的48 V動力系統(tǒng)的CAN通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2 所示。與整車控制器HCU相連接的網(wǎng)絡(luò)有2路，分別為混動網(wǎng)絡(luò)Hybrid-CAN和動力網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中還可起到網(wǎng)關(guān)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(jìn)行通信，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的效果。

圖2 48 V動力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3 發(fā)動機(jī)起停系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)起停系統(tǒng)功能的觸發(fā)，通常是在車輛短暫停止或滑行過程中，根據(jù)駕駛操作以及功能需求的設(shè)計(jì)來控制發(fā)動機(jī)的起停，比如在短暫等紅燈時(shí)，臨時(shí)關(guān)閉發(fā)動機(jī)避免燃油消耗、或者自動觸發(fā)停機(jī)、或者在滑行過程中實(shí)現(xiàn)滑行起停功能。在48 V 微混汽車動力系統(tǒng)中，當(dāng)HCU 判定汽車處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)，會依據(jù)停機(jī)的條件實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)停機(jī)，以克服傳統(tǒng)的怠速工況造成的高油耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。當(dāng)駕駛員試圖行車時(shí)，HCU會依據(jù)起機(jī)條件自動發(fā)出起動指令，利用BSG 帶動發(fā)動機(jī)起動，該起動時(shí)間比傳統(tǒng)起動時(shí)間更短和更平順。

發(fā)動機(jī)起停系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，HCU整車控制器根據(jù)駕駛員的操作行為、各子系統(tǒng)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(tài)信號。通過內(nèi)部模塊控制算法確定發(fā)動機(jī)的起停功能是否被觸發(fā)。如果滿足起停的觸發(fā)條件，HCU會將控制指令通過CAN 總線發(fā)送給MCU 和EMS，控制電機(jī)和發(fā)動機(jī)按既定的程序指令運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的起?？刂?。48 V系統(tǒng)發(fā)動機(jī)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(fā)條件判斷。

4 發(fā)動機(jī)起?？刂?/h2>

4.1 發(fā)動機(jī)起停條件

HCU根據(jù)48 V微混動力系統(tǒng)上電狀態(tài)、車輛行駛狀態(tài)、駕駛員操作行為、電池SOC 及其他各子系統(tǒng)狀態(tài)，決定發(fā)動機(jī)是否起機(jī)或停機(jī)，因此，需要合理設(shè)置發(fā)動機(jī)的起停條件及模塊調(diào)用機(jī)制。

在控制發(fā)動機(jī)起機(jī)時(shí)，應(yīng)充分考慮滿足起機(jī)的條件，只有滿足條件時(shí)，HCU 才能控制發(fā)動機(jī)起機(jī)。相應(yīng)的起機(jī)條件包括（滿足以下任意條件即可起機(jī)）：

（1）48 V電池SOC低于預(yù)設(shè)值；

（2）發(fā)動機(jī)水溫低于預(yù)設(shè)值；

（3）空調(diào)系統(tǒng)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(yù)設(shè)值；

（6）車輛靜止時(shí)駕駛員掛入D/R 擋，車輛開始起步；

（7）發(fā)動機(jī)本身原因禁止停機(jī)的，繼續(xù)保持運(yùn)行。

圖3 48 V系統(tǒng)發(fā)動機(jī)起?？刂葡到y(tǒng)

表1 起停功能涉及零部件說明

在控制發(fā)動機(jī)停機(jī)時(shí)，應(yīng)充分考慮滿足停機(jī)的條件，只有滿足條件時(shí)，HCU 才能控制發(fā)動機(jī)停機(jī)。相應(yīng)的停機(jī)條件包括（均滿足以下條件時(shí)才能停機(jī)）：

（1）48 V電池SOC高于預(yù)設(shè)值；

（2）發(fā)動機(jī)水溫高于預(yù)設(shè)值；

（3）空調(diào)系統(tǒng)無打開的請求；

（4）制動真空度足夠；

（5）P/N擋下車速低于預(yù)設(shè)值，或者D擋下踩制動使制動壓力大于預(yù)設(shè)值；

（6）發(fā)動機(jī)沒有禁止停機(jī)的請求；

（7）電池可用功率大于預(yù)設(shè)值，滿足自動起機(jī)時(shí)的功率要求；

（8）BSG 許用功率大于預(yù)設(shè)值，滿足自動起機(jī)時(shí)的功率要求。

4.2 發(fā)動機(jī)起機(jī)控制時(shí)序

為了便于理解發(fā)動機(jī)的起機(jī)過程，繪制某款48 V車型的起機(jī)時(shí)序，如圖4所示。利用BSG 電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)起機(jī)的控制流程要基于HCU 的信號指令。當(dāng)動力系統(tǒng)滿足上述發(fā)動機(jī)起機(jī)條件時(shí)，HCU發(fā)送BSG電機(jī)起機(jī)信號請求，控制電機(jī)輸出起動扭矩，將發(fā)動機(jī)拖至目標(biāo)轉(zhuǎn)速n1且持續(xù)預(yù)設(shè)時(shí)間＞t1，HCU發(fā)送供油請求指令，EMS 控制發(fā)動機(jī)噴油點(diǎn)火進(jìn)入怠速模式，并保持發(fā)動機(jī)在怠速轉(zhuǎn)速附近工作，之后控制BSG電機(jī)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(jī)和發(fā)動機(jī)的扭矩交替輸出。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速n2且維持預(yù)設(shè)時(shí)間＞t2，則發(fā)動機(jī)起動完成，EMS 應(yīng)向HCU 反饋發(fā)動機(jī)起動完成的CAN信號，整個(gè)發(fā)動機(jī)起機(jī)過程結(jié)束。

圖4 發(fā)動機(jī)起機(jī)控制時(shí)序

4.3 發(fā)動機(jī)停機(jī)控制時(shí)序

發(fā)動機(jī)停機(jī)的控制方法要基于HCU 的斷油信號指令，發(fā)動機(jī)停機(jī)的控制時(shí)序如圖5所示。HCU根據(jù)整車及零部件狀態(tài)判斷條件是否符合停機(jī)，當(dāng)符合停機(jī)要求時(shí)，HCU 通過向EMS 發(fā)送斷油請求，此時(shí)EMS應(yīng)快速響應(yīng)HCU發(fā)送的斷油請求，控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速轉(zhuǎn)速逐步降低，使得發(fā)動機(jī)完成從怠速工作狀態(tài)至斷油停機(jī)的控制。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速n3且維持預(yù)設(shè)時(shí)間＞t3，則發(fā)動機(jī)停機(jī)完成，EMS 應(yīng)向HCU 反饋發(fā)動機(jī)停機(jī)完成的CAN 信號，整個(gè)發(fā)動機(jī)停機(jī)過程結(jié)束。

圖5 發(fā)動機(jī)停機(jī)控制時(shí)序

5 發(fā)動機(jī)起停試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證利用BSG 電機(jī)起動發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢，通過在某輛匹配48V 系統(tǒng)的汽車上進(jìn)行發(fā)動機(jī)起停功能的試驗(yàn)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(jī)條件時(shí)，通過內(nèi)部控制模塊能夠有效地觸發(fā)起機(jī)程序，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，起動時(shí)利用BSG 電機(jī)拉動發(fā)動機(jī)，起機(jī)時(shí)間縮短至0.3 ～0.5 s，如圖6 所示。這種起機(jī)方式通過BSG 電機(jī)將發(fā)動機(jī)快速拉升至怠速區(qū)，實(shí)現(xiàn)噴油點(diǎn)火起機(jī)，可以較大程度地縮短起動時(shí)間，并提高車輛起機(jī)平順性。

圖6 BSG電機(jī)起動過程分析

6 主動預(yù)測起停功能

6.1 智能網(wǎng)聯(lián)信息采集系統(tǒng)

當(dāng)前汽車行業(yè)正朝著新四化的方向發(fā)展，即電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化和共享化。以電動化為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)節(jié)能出行，以網(wǎng)聯(lián)化為紐帶實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享，以智能化為方向?qū)崿F(xiàn)美妙出行，這些或?qū)⒊蔀槠噷?shí)現(xiàn)終極智能駕乘目標(biāo)的可行途徑。在新能源汽車先進(jìn)技術(shù)開發(fā)方面，智能的主動預(yù)測功能開發(fā)也成為了一大熱點(diǎn)，為此，本文提出和論述基于多維度、多路況的發(fā)動機(jī)主動預(yù)測起停功能的開發(fā)方案。

在主動預(yù)測發(fā)動機(jī)起停功能時(shí)，需要智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)對車輛行駛狀態(tài)、駕駛行為狀態(tài)以及路況環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，如圖7所示。智能網(wǎng)聯(lián)對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，并把參數(shù)結(jié)果發(fā)給HCU，HCU 基于智網(wǎng)參數(shù)信息以及各動力源的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)主動預(yù)測發(fā)動機(jī)起停時(shí)機(jī)。

圖7 智能網(wǎng)聯(lián)信息采集方案

（1）車輛行駛狀態(tài)監(jiān)控

通過傳感器設(shè)備和CAN網(wǎng)絡(luò)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(shù)，為整車控制系統(tǒng)提供參數(shù)輸入。

（2）駕駛行為狀態(tài)監(jiān)控

通過傳感器獲取油門踏板和制動踏板參數(shù)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)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(jīng)濟(jì)模式、運(yùn)動模式或雪地模式等。

（3）路況環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控

通過傳感器設(shè)備和CAN 網(wǎng)絡(luò)總線，獲取轉(zhuǎn)向行車等參數(shù)，通過智能網(wǎng)聯(lián)大數(shù)據(jù)(結(jié)合GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù))，判斷行車路況分布，各路段的擁擠程度，以及判斷下一個(gè)紅綠燈分布以及距離，為主動預(yù)測起停提供數(shù)據(jù)支撐。

6.2 主動預(yù)測起停系統(tǒng)

根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控到的信息，HCU再結(jié)合各總成的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基于多維度、多路況的起停預(yù)測功能，如圖8所示。根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和節(jié)氣門開度、變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速和扭矩、電池SOC、電流和電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、電流和電壓等參數(shù)來提前制定發(fā)動機(jī)的起?？刂撇呗?，做到提前識別何時(shí)起動發(fā)動機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化工作區(qū)域，減少油耗和排放。

圖8 基于多維度的起停預(yù)測功能方案

通過車輛裝配的智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)，包括感知設(shè)備和通信設(shè)備等，HCU可以實(shí)時(shí)獲取自身車輛的行駛狀態(tài)、前方車輛行駛狀態(tài)以及路口紅綠燈時(shí)間等信息。比如當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方為紅綠燈路口時(shí)，檢測到與前車間距小于s1時(shí)且2 者速度差值小于v1時(shí)，可以主動控制滑行停機(jī)。當(dāng)車處于紅綠燈交叉路口，利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)算出停車等待時(shí)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(jìn)行提前起機(jī)，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(yù)測起停功能，利用雷達(dá)，攝像頭，GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)，提前了解車輛前方的路況信息，利用先進(jìn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)主動滑行停機(jī)或起機(jī)，避免到達(dá)擁擠路段跟前時(shí)才緊急制動停機(jī)，這種方法在智能駕駛以及未來降油耗方面有一定的開發(fā)前景。

7 結(jié)束語

48 V 微混動力系統(tǒng)是一種能夠有效折中成本和節(jié)油率的混合動力節(jié)能技術(shù)，通過有效的發(fā)動機(jī)起?？刂萍夹g(shù)開發(fā)，不僅能夠優(yōu)化發(fā)動機(jī)運(yùn)行、縮短起機(jī)時(shí)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(tǒng)的構(gòu)型方案、控制原理，著重分析了發(fā)動機(jī)起停功能、起停條件、起停時(shí)序和控制策略，并基于實(shí)車進(jìn)行了測試驗(yàn)證。同時(shí)，針對智能控制技術(shù)發(fā)展，可以基于多維度、多工況進(jìn)行主動預(yù)測起停功能的開發(fā)，為新能源汽車新四化的發(fā)展添磚加瓦，為相關(guān)工程人員提供設(shè)計(jì)參考。

未來，隨著汽車智能化的不斷發(fā)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(tǒng)可以帶來部件或子系統(tǒng)的優(yōu)化，推動更多部件電壓等級提升和新功能的開發(fā)。同時(shí)，在能源緊張、法規(guī)日趨嚴(yán)格和汽車新四化發(fā)展的背景下，48 V系統(tǒng)將會有非常大的應(yīng)用潛力。