程吉鵬 陳丁躍 雷嘉豪 茍琦智

（1-陜西工業(yè)職業(yè)技術學院汽車工程學院 陜西 咸陽 712000 2-長安大學）

引言

48 V 輕度混合動力（簡稱輕混動力）系統(tǒng)有發(fā)動機和48 V 動力電池2 個能量源，2 者之間可以互補工作，以此改善車輛的性能。針對動力系統(tǒng)特性及整車的運行工況，根據(jù)汽車行駛模式的需求，綜合考慮發(fā)動機和ISG 電機功率，提高發(fā)動機的工作效率，降低排放。

1 48 V輕混動力汽車動力總成結構

48 V 輕混動力系統(tǒng)是在12V 起停系統(tǒng)的基礎之上增加了由48 V/12V 雙向DC/DC、48 V 電池、48 V ISG（Intergrated Starter Generator）電機組成的一套動力系統(tǒng)，傳統(tǒng)汽車上的起動機和發(fā)電機被ISG 電機代替[1]。P2 結構對整車無需作大的改動，在發(fā)動機和變速箱之間增添一個電驅耦合系統(tǒng)即可。在電機和變速箱之間引入離合器C2，適用于各類變速箱[2]。因此，汽車原有的變速箱不需要重新設計，只需稍作調整。

48 V 輕混動力汽車動力總成結構如圖1 所示。

整車的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 整車基本參數(shù)

本文提出的P2 結構主要由ISG 電機和48 V 電池組成，電機的位置對整車性能有很大影響。ISG 電機布置在發(fā)動機曲軸的輸出端之后，一方面可以為汽車起動、加速以及爬坡大載荷運行時提供助力，另一方面在制動減速下坡時可以進行能量回收為48 V電池充電。鋰離子電池具有高充電放電效率，單體電壓可達3.6～4 V，有較大的功率輸出密度[3]，無記憶效應，因此選取鋰離子電池。

2 整車工作模式劃分

2.1 起動模式

當動力電池電量充足時，48 V 電池供電，ISG電機工作。此時離合器C1 和C2 均閉合[4]，ISG 電機拖拽發(fā)動機運行到起動轉速之后，發(fā)動機起動，電機斷電停止運行。由于發(fā)動機在低速下輸出轉矩大而排放較高，所以通過ISG 電動機起步，可避免發(fā)動機工作在低效區(qū)間時產(chǎn)生高的燃油消耗率和排放。

2.2 短距離純電動模式

當電池電量充足時，若駕駛員的需求轉矩低于ISG 電機可提供的最大轉矩，此時可以將發(fā)動機噴油系統(tǒng)關閉，依靠48 V 電池提供能量給電機驅動整車。為了防止發(fā)動機被電機反拖造成能量消耗，此時C1 斷開，分離離合器C2 閉合。當汽車在高速巡航時，發(fā)動機可徹底分離且關閉，ISG 電機維持車輛巡航。

2.3 純發(fā)動機模式

汽車在高速狀態(tài)時，牽引力要求較低，且電池的電量充足不需要充電，此時整車消耗的功率較小，發(fā)動機工作在低油耗、高效率的區(qū)間內，發(fā)動機單獨提供動力即可。在這種工況下，C1 與C2 均閉合，ISG 電機處于空轉狀態(tài)。

2.4 混合驅動模式

當汽車需較大牽引力時，整車需求轉矩大于發(fā)動機最佳轉矩（發(fā)動機萬有特性Map 圖上最佳工作狀況所對應的輸出轉矩），但小于發(fā)動機和ISG 電機所能提供的轉矩之和；同時，48 V 電池的SOC（State of Charge）比較大。此時，離合器C1 和C2 均閉合，ISG 電機提供動力輔助，促使發(fā)動機轉矩靠近最佳轉矩附近，使發(fā)動機工作在高效率區(qū)間。直到電池剩余電量低于30%，電機停止工作，依靠發(fā)動機獨自提供動力。該模式下，ISG 電機提供動力輔助，在滿足動力性的情況下改善排放性能。

2.5 行車充電模式

當電池的SOC 較小時，功率需求較低，此時發(fā)動機轉矩低于最佳轉矩，發(fā)動機工作在低效率區(qū)間，比如在擁堵的市區(qū)行駛工況下。此時，通過發(fā)動機帶動ISG 電機發(fā)電，對動力電池進行充電，提高發(fā)動機的轉矩，使發(fā)動機轉矩達到最佳轉矩，提高燃油經(jīng)濟性。

2.6 制動能量回收

當汽車在進行制動減速或者下坡時，48 V 輕混動力汽車的ISG 電機可以作為發(fā)電機使用，為48 V電池充電，不至于讓能量以熱能方式白白損失掉；當系統(tǒng)需要時，ISG 電機可以提供電能，C1 斷開、C2 閉合。其一避免了發(fā)動機反拖造成的能量損失，其二進行能量回饋，提高了整車經(jīng)濟性。48 V輕混動力汽車的工作模式如表2 所示。

表2 48 V輕混動力汽車工作模式

3 雙模糊控制器設計

3.1 雙模糊控制原理

雙模糊控制的目標是在驅動和制動模式下實現(xiàn)對整車的能量監(jiān)管[4]，其控制原理如圖2 所示。在驅動模式下，將需求轉矩Treq、SOC 作為輸入，輸出為電機轉矩分配系數(shù)Tp，綜合考慮發(fā)動機功率和ISG 電機功率，使發(fā)動機工作在高效區(qū)，改善燃油經(jīng)濟性和排放性能。在制動減速時，在制動模糊控制器作用下，傳動軸上的制動力作為電機制動力進行制動能量回收[5]，儲存在48 V 電池中。因此，在制動模式下，將SOC、車速V 以及制動強度Z 作為輸入，再生制動比例系數(shù)η（電制動力矩占整個制動力矩的比例）作為輸出。

圖2 雙模糊控制原理

3.2 驅動模糊控制器設計

需求轉矩Treq最能反映駕駛員意圖，表征車輛負荷狀況。為了精確地反映需求轉矩的大小，將需求轉矩Treq作為輸入。對于48 V 輕混動力汽車而言，48 V電池同樣是動力源，SOC 的值決定了ISG 電機的工作狀態(tài)，因此將SOC 作為另一個輸入。48 V 輕混動力汽車的需求轉矩要在發(fā)動機需求轉矩和電機輸出轉矩之間進行合理分配，因此，將電機轉矩分配系數(shù)TP作為輸出。圖3 為2 輸入1 輸出的二維驅動模糊控制器結構[6]。

圖3 驅動模糊控制器

3.2.1 模糊區(qū)間

參考發(fā)動機的效率圖，將需求轉矩分為5 個模糊集合[7]，如圖4 所示。

圖4 需求轉矩模糊子集劃分

1）需求轉矩很小時（S），發(fā)動機轉速低、輸出轉矩大，排放較高，可以關閉發(fā)動機。

2）需求轉矩較小時（MS），發(fā)動機轉矩低于最佳轉矩，此時通過增加負荷的方式來提高發(fā)動機的燃油效率，發(fā)動機帶動電機工作，給電池充電。

3）需求轉矩在最佳轉矩曲線附近時（M），發(fā)動機單獨驅動車輛行使。

4）需求轉矩較高時（MB），ISG 電機提供動力輔助，使發(fā)動機的輸出轉矩逼近最佳轉矩曲線。

5）需求轉矩很高時（H），電機同樣提供動力輔助，但應當優(yōu)先滿足轉矩需求，改善經(jīng)濟性則次要一些。

依據(jù)圖4，模糊變量的模糊子集劃分如表3 所示。

表3 模糊變量的模糊子集

3.2.2 驅動模糊規(guī)則的制定

48 V 輕混動力汽車工作在驅動模式時，車輛驅動力矩分配主要受以下規(guī)則的影響：

1）當SOC 值在規(guī)定的閾值內，且需求轉矩Treq超過發(fā)動機的最大轉矩時，ISG 電機提供動力輔助，與發(fā)動機共同驅動車輛。

2）當SOC 值較小時，在保證動力性的情況下，使發(fā)動機的工作區(qū)間靠近高效工作區(qū)；發(fā)動機同時驅動電機，為48 V 電池充電。

3）當電池電量充足時，需求轉矩較小，電機可以提供此時的需求動力，ISG 電機單獨驅動車輛。

4）當SOC 較大時，車輛的負荷比較大，ISG 電機與發(fā)動機聯(lián)合驅動車輛來滿足車輛動力性需求，同時降低油耗和排放。

本文通過Matlab/Toolbox 工具箱，將表3 中2 個輸入Treq、SOC 各自的5 個模糊子集進行1+1 組合，以每個組合下輸出TP的某一個模糊子集作為驅動模糊規(guī)則，共制定出25 條驅動模糊規(guī)則如表4 所示，包含了48 V 輕混動力汽車的所有工作模式。

表4 驅動模糊規(guī)則

根據(jù)表4 所示的模糊規(guī)則生成圖5 所示的模糊輸出圖。

圖5 模糊輸出曲面圖

3.3 制動模糊控制器設計

車輛制動時，要求制動模糊控制器首先確保制動安全性，合理分配制動力，即適當分配常規(guī)制動力矩與電機制動力矩之間的比例；其次實現(xiàn)減速制動能量的回收，對48 V 電池充電。制動模糊控制器結構如圖6 所示。

圖6 制動模糊控制器

制動強度Z 分為5 個模糊子集（Zs、Zms、Zm、Zmb、Zb），車速V 分為5 個模糊子集（L、ML、M、MH、H），根據(jù)表3，電池SOC 分為5 個模糊子集（L、ML、MID、MB、H），將輸出（再生制動比例系數(shù)η）在其論域上分成5 個模糊子集（s、ms、m、mb、Trb）。制動時要求響應速度快，而隸屬函數(shù)曲線較為平坦，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性較強，曲線是直線且?guī)в衅巾?，則算法易于實現(xiàn)，計算快。所以選用梯形曲線作為制動變量模糊隸屬函數(shù)，達到制動響應快的要求。

制動模糊規(guī)則的制定方法：制動模糊控制器是3輸入1 輸出，根據(jù)變量論域劃分情況，制動強度Z 最大時，電機制動為零，所以共制定80 條制動模糊規(guī)則?？紤]到本文設計的控制規(guī)則相對較龐大，僅展示部分模糊規(guī)則如圖7 所示，并生成輸出量曲面圖如圖8 所示。

圖7 制動模糊規(guī)則

圖8 輸出量曲面圖

3.4 控制策略模型建立

根據(jù)雙模糊控制原理，基于MATLAB/simulink模糊工具箱[8]，以需求轉矩Treq、電池SOC、制動強度Z 以及車速V 為輸入，電機轉矩分配系數(shù)TP、再生制動比例系數(shù)η 作為輸出[9]，搭建雙模糊控制器模型。

3.5 48 V 輕混動力汽車整車建模與聯(lián)合仿真

AVL-CRUISE 軟件集模型搭建、仿真計算于一體，模塊化的設計理論便于用戶創(chuàng)建不同架構車型。在CRUISE 軟件內置元件庫中添加各模塊，包括發(fā)動機模塊（Engines）、ISG 電機模塊（Electric Machine）、變速箱（Gear Box）及主減速器（Single Ratio）模塊、差速器（Differential）及48 V 電池（Battery H）模塊等，搭建48 V 輕混動力汽車模型。

4 仿真結果分析

4.1 整車運行狀況分析

采用CYC-NEDC 循環(huán)進行仿真測試研究。圖9為發(fā)動機輸出轉矩。

圖9 發(fā)動機輸出轉矩

由于發(fā)動機的最佳轉矩范圍為90～105 N·m，圖9 所示的結果表明，大部分工況下，發(fā)動機輸出轉矩在最佳轉矩附近。車輛負荷較大時，ISG 電機提供動力輔助。

圖10 為ISG 電機輸出轉矩。

圖10 ISG 電機輸出轉矩

從圖10可以得出，電機的助力轉矩大約為15 N·m。車輛載荷較小、車速較低時，發(fā)動機轉矩輸出為零，此時處于起動工況，ISG 電機單機提供動力，單獨驅動整車。在大多工況下，發(fā)動機輸出轉矩在最佳轉矩附近；而ISG 電機輸出轉矩變化較平穩(wěn)、響應快。表明模糊控制策略能維持轉矩動態(tài)穩(wěn)定，保證發(fā)動機和電動機工作的高效性。

圖11 為48 V 電池SOC 變化圖。

圖11 48 V 電池SOC 變化圖

從圖11 可以看出，電池初始SOC 為70.3%，仿真結束時SOC 為70.2%，在整個運行工況，最低SOC為57%，SOC 基本維持在63.5%～67.5%之間，沒有出現(xiàn)大幅度波動。

圖12 為48 V 電池SOC、電壓、充放電量圖。

圖12 48 V 電池SOC、電壓、充放電量圖

從圖12 可以看出，在整個運行工況，消耗掉的電能通過行車充電和制動能量回收模式得以補償，實現(xiàn)了電池荷電狀態(tài)的平衡控制。當汽車在純電動模式或大負荷運行時，電機提供動力，電池放電，SOC下降；在減速制動或者行車充電時，ISG 電機進行發(fā)電，電池充電，SOC 上升。在整個運行工況，電池電壓穩(wěn)定在48 V 附近，沒有出現(xiàn)過充過放問題，表明本文制定的模糊控制策略達到了理想的控制效果。

圖13 為48V 系統(tǒng)負載用電設備的電壓變化曲線。

從圖13 可以看出，最高電壓為53.6 V，低于安全電壓60 V，在整個運行工況，電壓在48 V 附近波動。

圖13 48 V 用電設備電壓曲線

圖14 為48 V 電池充電和放電功率曲線。

圖14 48 V 電池充放電功率

從圖14可以看出，最大輸出功率超過20 kW，而48 V ISG 電機的最大功率為15 kW，表明48 V 電池完全可以帶動電機單獨工作。

4.2 整車動力性分析

動力性仿真結果如表5 所示。

表5 動力性仿真結果對比

從表5 可以看出，48 V 輕混動力汽車整車達到設計要求。與傳統(tǒng)汽車相比，動力性得到提高，加速時間更短，表明48 V 輕混動力系統(tǒng)可以在汽車大負荷時提供一定的動力輔助。

4.3 整車經(jīng)濟性分析

傳統(tǒng)汽車的建模方法和48 V 輕混動力汽車一樣，整車參數(shù)選擇也一樣。與傳統(tǒng)汽車相比，48 V 輕混動力汽車增加了一套48 V 系統(tǒng)（48 V 動力電池10kg、48 V/12 V DC/DC 變換器2.7 kg、ISG 電機8.5 kg），加上電池管理系統(tǒng)等附件，汽車總質量增加約50 kg。仿真結果儲存在文件夾messages 下的results.log，如表6所示。

表6 傳統(tǒng)汽車與48 V輕混動力汽車排放對比

通過表6 可得，在NEDC 工況下，與傳統(tǒng)汽車相比，48 V 輕混動力汽車的油耗降低了14.1%，CO、HC、NOx排放分別降低了19.9%、15.7%、11.7%。

5 結論

在傳統(tǒng)汽車發(fā)動機的基礎上設計了P2 雙離合48 V 輕混動力系統(tǒng)，并分析了整車的工作模式。利用simulink 建立了制動和驅動雙模糊控制策略，在CRUISE 中搭建了48 V 輕混動力汽車模型，對整車的各個參數(shù)進行聯(lián)合仿真。結果表明：發(fā)動機和ISG 電機工作在最佳轉矩附近，SOC 始終處于合理的閾值內。與傳統(tǒng)汽車相比，48 V 輕混動力汽車節(jié)油效果明顯，排放性能得到改善。此設計改動較小，降低了生產(chǎn)成本，對混合動力汽車的推廣有一定的積極意義。