孫山峰，謝 輝，耿宗起，左 蘭，陳秀梅

(1.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261061)

0 概述

48 V微混技術(shù)被認(rèn)為是一種高性價(jià)比的技術(shù)方案。采用P0結(jié)構(gòu)，可在發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)較小的情況下，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)、制動(dòng)能量回收、加速助力、主動(dòng)發(fā)電及穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)移等功能，并獲得一定的降油耗效果。因此，在乘用車領(lǐng)域，起動(dòng)發(fā)電一體式電機(jī)(belt-driven starter generator, BSG)得到廣泛的研究與應(yīng)用[1-5]。

乘用車及N1類輕型汽車采用全球輕型車測(cè)試循環(huán)(world light-duty test cycle， WLTC)時(shí)冷起動(dòng)階段排氣溫度較低，不滿足后處理系統(tǒng)起燃條件，尾氣排放較高。文獻(xiàn)[6]中對(duì)某1.4 L增壓汽油機(jī)的研究表明，冷起動(dòng)階段的排放污染物占整個(gè)WLTC排放總量的70%以上，因此冷起動(dòng)階段的排放控制尤為關(guān)鍵。為緩解冷起動(dòng)階段排氣污染物高的問題，當(dāng)前主要的技術(shù)手段是通過調(diào)整柴油機(jī)噴油提前角、汽油機(jī)和氣體機(jī)的點(diǎn)火提前角，配合進(jìn)氣節(jié)流閥或排氣節(jié)流閥等技術(shù)手段，縮短冷起動(dòng)階段的持續(xù)時(shí)間，快速提升排氣溫度至后處理系統(tǒng)起燃溫度。

本研究基于48 V BSG系統(tǒng)，開發(fā)了BSG電機(jī)在WLTC中的控制策略，并基于整車輪轂試驗(yàn)研究了BSG電機(jī)提升發(fā)動(dòng)機(jī)排溫的能力。

1 48 V BSG 系統(tǒng)

48 V BSG系統(tǒng)在整車原有12 V電路基礎(chǔ)上增加48 V電池、48 V BSG電機(jī)及直流電(direct current， DC)轉(zhuǎn)換器等48 V電路器件。

本文中所研究的48 V BSG系統(tǒng)采用P0結(jié)構(gòu)，如圖1所示[3]。BSG電機(jī)通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)前端曲軸輪系相連，傳動(dòng)比為3.2。BSG電機(jī)通過逆變器與 48 V 電池相連，48 V電池和12 V電池之間通過 DC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電壓變換。

圖1 48 V BSG系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 48 V BSG系統(tǒng)控制策略

2.1 控制策略

48 V BSG系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能如下：(1) 快速起動(dòng)功能，即在車輛等待紅燈或短時(shí)間停車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)，取代原來怠速工況狀態(tài)，節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下油耗，并解決怠速工況期間的排放問題。當(dāng)有行車意圖時(shí)，控制器控制BSG電機(jī)自動(dòng)快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。(2) 制動(dòng)能量回收功能，即當(dāng)整車處于滑行狀態(tài)或制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，BSG電機(jī)以發(fā)電模式工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并傳輸給電池存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。(3) 加速助力功能，即在整車突然加大油門快速加速時(shí)，BSG電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同輸出轉(zhuǎn)矩，增強(qiáng)整車動(dòng)力性。配置傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的整車在低速突然加速時(shí)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相對(duì)較慢，從而限制了整車加速性能；應(yīng)用BSG電機(jī)助力后，可提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，提升整車加速性能。(4) 主動(dòng)發(fā)電功能，即在整車運(yùn)行過程中，當(dāng)電池電量低于設(shè)定值且BSG電機(jī)未處于制動(dòng)能量回收模式時(shí)，控制器控制BSG電機(jī)以發(fā)電模式運(yùn)行，為電池充電。主動(dòng)發(fā)電模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩需同時(shí)滿足整車運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩需求和BSG電機(jī)運(yùn)行發(fā)電模式的轉(zhuǎn)矩需求。(5) 穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)移功能，即當(dāng)整車處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，基于降低油耗的原則，對(duì)整車轉(zhuǎn)矩需求進(jìn)行合理分配，通過BSG電機(jī)的正、負(fù)轉(zhuǎn)矩調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能地運(yùn)行在最佳油耗區(qū)內(nèi)。

2.2 排溫控制策略

通過分析48 V BSG系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能，本文中研究了一種在WLTC過程中提升排氣溫度的控制策略。該策略可分為WLTC冷起動(dòng)階段提升排溫及怠速階段后處理保溫兩部分。

2.2.1 冷起動(dòng)階段排溫提升策略

整車首次起動(dòng)時(shí)，后處理系統(tǒng)溫度較低。一方面尿素在低溫時(shí)無法水解為氨氣，另一方面催化劑在低溫時(shí)催化效果差，此階段尿素噴射系統(tǒng)不工作，無法起到降低NOx排放的作用。因此，在冷起動(dòng)的前 600 s 采用主動(dòng)發(fā)電模式，BSG電機(jī)向發(fā)動(dòng)機(jī)提供適宜的負(fù)轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)提升總功率，以保證飛輪輸出功率不變。更高的總功率使得排氣流量和排氣溫度更高，提高的排氣能量加速了后處理裝置的升溫過程，尿素噴射得以更早開始。

主動(dòng)發(fā)電控制策略觸發(fā)條件包括“觸發(fā)主動(dòng)發(fā)電模式”和“退出主動(dòng)發(fā)電模式”兩部分。當(dāng)滿足電池荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)低于設(shè)定值且系統(tǒng)無故障，渦輪后排氣溫度低于設(shè)定值(本試驗(yàn)選用SCR系統(tǒng)尿素起燃溫度200 ℃)，無其他更高優(yōu)先級(jí)的功能請(qǐng)求(如系統(tǒng)請(qǐng)求起?；蚣铀僦t優(yōu)先觸發(fā)快速起動(dòng)功能和加速助力功能)時(shí)，則觸發(fā)主動(dòng)發(fā)電模式；當(dāng)渦輪后排氣溫度滿足SCR系統(tǒng)起燃溫度要求時(shí)，退出主動(dòng)發(fā)電模式。

主動(dòng)發(fā)電模式時(shí)，BSG電機(jī)轉(zhuǎn)矩TBSG采用SOC修正因子進(jìn)行計(jì)算：

TBSG=f×Tmax

(1)

式中，f為SOC修正因子；Tmax為當(dāng)前轉(zhuǎn)速BSG電機(jī)允許的最大工作轉(zhuǎn)矩，N·m。

(2)

當(dāng)前轉(zhuǎn)速BSG電機(jī)允許的最大工作轉(zhuǎn)矩(Tmax)通過BSG電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線查表得到。

2.2.2 怠速階段后處理保溫策略

BSG電機(jī)具備快速起動(dòng)功能，因此在WLTC的怠速工況可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)[7]。冷起動(dòng)階段的怠速工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度低于后處理載體溫度，低溫排氣流經(jīng)后處理系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致載體溫度下降。怠速工況關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，后處理系統(tǒng)管路內(nèi)部無低溫排氣流，可以緩和后處理溫度降低現(xiàn)象，起到保溫作用。

發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉控制策略需同時(shí)滿足多個(gè)條件才能觸發(fā)，如： 油門踏板行程為零，車速為零，擋位為空擋，拉起手剎，且整車48 V電路連通，電機(jī)電池?zé)o故障，電池SOC充足及發(fā)動(dòng)機(jī)水溫大于設(shè)定值等。

發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)控制策略觸發(fā)條件為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于自動(dòng)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，若此時(shí)同時(shí)滿足離合器打開或空擋、松開手剎并踩下制動(dòng)踏板等條件時(shí)，控制器響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)需求，控制BSG電機(jī)快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 48 V BSG系統(tǒng)Cruise仿真分析

3.1 模型參數(shù)

應(yīng)用Simulink實(shí)現(xiàn)48 V BSG系統(tǒng)的控制策略，并將控制模型生成可用于Cruise軟件的代碼；應(yīng)用Cruise模型搭建48 V整車模型，驗(yàn)證基于排溫控制策略的48 V BSG系統(tǒng)的提升發(fā)動(dòng)機(jī)排溫的能力[8-11]，如圖2所示。

圖2 48 V BSG系統(tǒng)Cruise仿真模型簡(jiǎn)圖

本研究中48 V BSG系統(tǒng)基于配置2.5 L柴油機(jī)的皮卡車型，整車參數(shù)如表1所示。BSG電機(jī)參數(shù)如表2所示。48 V電池參數(shù)如表3所示。

表1 整車技術(shù)參數(shù)

表2 BSG電機(jī)技術(shù)參數(shù)

表3 48 V電池技術(shù)參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

WLTC根據(jù)車速劃分為低速段(low)、中速段(medium)、高速段(high)和超高速段(extra high)4個(gè)部分，持續(xù)時(shí)間共1 800 s。其中低速段的持續(xù)時(shí)間為589 s，中速段的持續(xù)時(shí)間為433 s，高速段的持續(xù)時(shí)間為455 s，超高速段的持續(xù)時(shí)間為323 s[12]。

仿真數(shù)據(jù)選取了WLTC的前600 s進(jìn)行分析，涵蓋整個(gè)低速段和部分中速段，整車車速相對(duì)較低，且包含3次怠速工況，分別是：第99 s到第137 s，怠速時(shí)長(zhǎng)39 s；第445 s到第511 s，怠速時(shí)長(zhǎng)67 s；第567 s到第600 s，怠速時(shí)長(zhǎng)34 s。

圖3為48 V BSG系統(tǒng)對(duì)排溫提升效果的Cruise仿真結(jié)果。在WLTC開始前98 s的低速階段，由于BSG電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加了負(fù)轉(zhuǎn)矩，在保證飛輪端輸出功率不變的條件下增加了發(fā)動(dòng)機(jī)總功率，因此排溫相比于無BSG系統(tǒng)有了明顯提升。在WLTC 99 s到137 s的怠速階段，配置BSG系統(tǒng)的整車觸發(fā)了快速起動(dòng)功能，由于無低溫排氣流動(dòng)，渦前排溫的下降趨勢(shì)明顯降低。在WLTC的138 s到444 s階段，由于SOC水平較高，BSG電機(jī)僅在部分工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加0～7 N·m的負(fù)轉(zhuǎn)矩，配置BSG系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦前排溫明顯高于無BSG系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦前排溫。在WLTC的445 s到511 s的怠速階段，配置BSG系統(tǒng)的整車也觸發(fā)了快速起動(dòng)功能，渦前排溫的下降趨勢(shì)也明顯降低。

圖3 48 V BSG系統(tǒng)Cruise排溫提升仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果分析可以得出，在主動(dòng)發(fā)電功能和快速起動(dòng)功能的作用下，配置BSG系統(tǒng)的整車可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)渦前溫度，冷起動(dòng)階段排溫提升策略和怠速階段后處理保溫策略是有效的。

4 實(shí)車測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了改造，BSG電機(jī)選用P0結(jié)構(gòu)配置。改裝前后的柴油機(jī)分別安裝到整車上，在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行WLTC測(cè)試，在增壓器后、后處理系統(tǒng)前的排氣總管上安裝排溫傳感器，測(cè)量渦后排溫；利用AVL 735油耗儀實(shí)時(shí)記錄瞬態(tài)油耗。試驗(yàn)儀器及設(shè)備見表4，柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格見表5。

表4 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

表5 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩分析

BSG電機(jī)通過皮帶連接在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上，因此發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪輸出的轉(zhuǎn)矩包括由燃油燃燒產(chǎn)生的曲軸轉(zhuǎn)矩和由BSG電機(jī)產(chǎn)生的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

BSG電機(jī)在提供負(fù)轉(zhuǎn)矩發(fā)電時(shí)，較多的電能存儲(chǔ)在48 V電池中，電池的SOC不斷上漲，為了維持SOC平衡，本循環(huán)600 s以后利用BSG的助力功能，不斷消耗電池的電能，在維持SOC平衡的同時(shí)節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。此外，這個(gè)階段產(chǎn)生的電能可以供給整車用電器使用，如發(fā)動(dòng)機(jī)電控配附件、整車燈光和電器娛樂系統(tǒng)等。

圖4為WLTC測(cè)試過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩的加載曲線。在WLTC前600 s開啟BSG加熱模式，BSG電機(jī)向發(fā)動(dòng)機(jī)輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩，提高發(fā)動(dòng)機(jī)總功率，進(jìn)而提升排氣溫度；WLTC 600 s以后關(guān)閉BSG加熱模式，此時(shí)主要起作用的是快速起動(dòng)功能、加速助力功能和制動(dòng)能量回收功能。

圖4 WLTC測(cè)試過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

4.2.2 WLTC排溫提升效果分析

BSG系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的影響主要來源于兩個(gè)功能：一是在WLTC起始階段，BSG電機(jī)可增加發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)以較大的轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，從而獲取更高的排氣能量，提升排氣溫度。轉(zhuǎn)矩提升的幅度主要取決于BSG電機(jī)的最大發(fā)電轉(zhuǎn)矩、BSG電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比和電池剩余容量。另一個(gè)對(duì)排氣溫度影響較大的功能是發(fā)動(dòng)機(jī)起停，依賴于BSG電機(jī)的快速起動(dòng)功能，在怠速工況可將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。圖5為帶BSG和無BSG兩種條件下，WLTC發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排溫曲線圖。如圖5中方框標(biāo)識(shí)處所示，相比于無BSG系統(tǒng)，怠速工況停機(jī)使得排氣溫度下降幅度明顯降低，保溫效果明顯。

圖5 BSG排溫提升效果對(duì)比圖

輪轂試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)比BSG作用前后的WLTC前600 s排氣溫度，平均排溫由139 ℃提升至161 ℃，尿素噴射放行時(shí)間提前了約130 s。

4.2.3 WLTC油耗分析

48 V BSG系統(tǒng)的引入增加了控制的靈活度，快速起動(dòng)功能、制動(dòng)能量回收功能、加速助力功能可有效降低油耗[13-14]。圖6為BSG對(duì)油耗的影響。如圖6所示，在WLTC循環(huán)的前600 s，控制策略采用后處理加熱模式，BSG電機(jī)根據(jù)需求向發(fā)動(dòng)機(jī)輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)總功率，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗稍有增加。在WLTC循環(huán)的600 s以后階段，BSG電機(jī)主要用作快速起動(dòng)、加速助力和制動(dòng)能量回收。此階段由于加速助力消耗了電池電能，電池SOC下降較多，觸發(fā)了主動(dòng)發(fā)電功能，BSG電機(jī)發(fā)電時(shí)，瞬時(shí)油耗略微上升；而在起停階段和制動(dòng)能量回收階段，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗明顯下降。未配置48 V BSG系統(tǒng)的WLTC循環(huán)總油耗為1 695.5 g，配置48 V BSG系統(tǒng)的WLTC循環(huán)總油耗為1 656.1 g，循環(huán)起始階段SOC約為60%，結(jié)束時(shí)的SOC約為45%，在SOC降低15%的條件下，總油耗降低約2.4%。

圖6 BSG對(duì)油耗的影響對(duì)比圖

試驗(yàn)時(shí)，未在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量將SOC恢復(fù)到初始狀態(tài)所需油量。按照GB/T 19754—2015《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》規(guī)定算法[15]，未配置48 V BSG系統(tǒng)的WLTC總?cè)剂向?qū)動(dòng)能量為 7.088 kW·h；配置48 V BSG系統(tǒng)的WLTC循環(huán)總?cè)剂向?qū)動(dòng)能量為6.923 kW·h。本試驗(yàn)所用48 V鋰電池容量8 Ah，恢復(fù)15% SOC所需電量為0.058 kW·h，則可認(rèn)為在SOC保持不變的條件下，配置48 V BSG系統(tǒng)的WLTC總?cè)剂向?qū)動(dòng)能量為6.981 kW·h，總能量消耗下降1.5%。

5 結(jié)論

(1) 采用48 V BSG電機(jī)改造后的柴油機(jī)，在整車輪轂試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行WLTC測(cè)試時(shí)，BSG系統(tǒng)的后處理加熱功能可以借助對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩的手段實(shí)現(xiàn)，用于提高排溫；快速起動(dòng)功能可以輔助后處理保溫。

(2) 輪轂試驗(yàn)結(jié)果顯示，BSG作用前后的WLTC循環(huán)前600 s排氣溫度平均值由139 ℃提升至161 ℃，尿素噴射開始時(shí)間提前了約130 s。

(3) 在SOC降低15%的條件下，采用BSG系統(tǒng)后WLTC總油耗下降約2.4%。按照GB/T 19754—2015《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》規(guī)定算法，在SOC保持不變的條件下，配置48 V BSG系統(tǒng)的WLTC循環(huán)總?cè)剂向?qū)動(dòng)能量下降1.5%。