基于Cruise的48V系统控制策略仿真研究

1 前言

本文研究了48 V 系统的控制策略，根据某传统车利用Cruise 软件建立了48 V 系统P0 架构的仿真模型，实现怠速起停、制动能量回收和动力辅助功能，并将48 V系统的节油效果与基础车进行比较。

2 48 V系统组成

48 V 系统针对传统内燃机进行电气化改造，增加了48 V电池、DC/DC转换器，利用皮带传动起动/发电一体化电机（Belt-driven Starter/Generator，BSG）实现起停、制动能量回收、动力辅助等功能。水泵、油泵、空调压缩机等外围组件由高功率电机驱动，而不再需要内燃机通过皮带直接驱动，从而降低发动机机械损耗。48 V BSG方案系统组成如图1所示。


图1 48 V BSG方案系统组成

3 48 V系统功能及控制策略

3.1 48 V系统功能

48 V系统具有如下5种功能（工作模式见图2）：

a.怠速起停（Start-Stop），车辆静止状态下，发动机处于关闭状态，48 V 大容量电池储存的能量维持车载电器的正常运行，发动机可以随时快速起动。

b.制动能量回收（Regeneration），将动能转化为电能，并储存在电池中，此时BSG作为发电机。

c.动力辅助（Boost），在加速阶段，电机的辅助动力弥补发动机动力的不足，此时BSG作为电动机。

d.巡航（Cruise），车辆等速行驶时，在电池电量充足的情况下，关闭发动机喷油系统，依靠电机来维持车辆运行。电机提供的动力用于克服行驶阻力和发动机的摩擦功。P2 架构在高速巡航时可以关闭发动机，仅靠电机保持车辆巡航。再次踩下油门踏板时，发动机迅速起动，平滑切入当前车速。

e.滑行起停（Coasting），松开油门踏板后，离合器断开发动机与传动系统的机械连接，彻底关闭发动机，实现更长距离的行驶，相当于传统车辆的空挡滑行，但传统车辆滑行时发动机依然需要喷油维持运转。

图2 48 V系统工作模式示意

针对上述48 V系统功能，本文制定了怠速起停、制动能量回收和动力辅助的Simulink控制策略。

3.2 怠速起停控制策略

影响发动机怠速起停的主要因素有起停开关状态、油门踏板行程Sacc、最小可检测踏板行程Smin、车速v、电池SOC、发动机水温Tw等，怠速起停控制策略如图3所示。


图3 怠速起停控制流程

3.3 制动能量回收控制策略

制动能量回收策略根据制动踏板和制动轮缸是否解耦分为解耦控制和非解耦控制。本文选用解耦控制，通过算法智能分配电机回馈制动和液压制动，且电机回馈制动有较高优先级。影响制动能量回收的主要因素有制动油压Pb、车速v、制动减速度ab、电池SOC 等[4]，控制流程如图4所示。


图4 制动能量回收控制流程

3.4 动力辅助控制策略

动力辅助控制策略依据油耗最低的目标进行设定，首先定义最佳燃油消耗率曲线，如图5 所示，然后根据发动机需求扭矩与最佳燃油消耗率曲线的关系对车辆加速过程中发动机扭矩和电机转矩进行合理分配。影响动力辅助的主要因素有油门踏板行程Sacc、发动机转速n、发动机经济扭矩Teco、发动机需求扭矩Tre、车速v、SOC等，控制流程如图6所示。


图5 最佳燃油消耗率曲线示意


图6 动力辅助控制流程

3.5 48 V系统Simulink控制策略

根据上述控制流程搭建48 V 系统Simulink 控制策略如图7所示。

4 控制策略验证模型

本文以某传统车为基础车，利用AVL Cruise仿真软件搭建整车、发动机、变速器、电机、电池及控制策略模型，模型输入参数如表1所示，仿真模型如图8所示。

Cruise 软件和MATLAB 联合仿真方式有DLL、API、Interface 等方式，每种方式有各自的优缺点，其中较为常用的是DLL 和Iterface 方式，本文采用DLL 方式进行联合仿真，仿真设置步骤大体分为策略接口定义、策略编译、模型接口设置和总线连接。


图7 48 V系统Simulink控制策略

表1 模型输入参数



图8 仿真分析模型

5 仿真结果分析

5.1 控制策略功能验证

5.1.1 怠速起停功能

怠速起停功能仿真结果如图9所示：在循环工况第188 s 时，车速减为0，发动机起停信号Start_Switch 由起动状态1变为停机状态0，实现怠速停机，发动机转速为0；在循环工况第206 s 时，随着油门踏板被踩下，Start_Switch由0变为1，发动机起动。

5.1.2 制动能量回收功能

制动能量回收功能仿真结果如图10 所示：在制动减速过程中，BSG扭矩为负值，表示工作在发电机状态，此时电池SOC增大；在循环工况的第155～163 s减速段，制动能量全部由电机回收，机械制动力矩为0；在循环工况的第176～187 s减速段，制动能量部分由电机回收，不足的由机械制动补偿。


图9 怠速起停功能验证结果


图10 制动能量回收功能验证结果

5.1.3 动力辅助功能

动力辅助功能仿真结果如图11 所示，在加速过程中，当发动机需求扭矩大于经济扭矩时，BSG介入，电机扭矩为正值，表示为动力辅助状态，此时电池SOC减小。


图11 动力辅助功能验证结果

5.2 NEDC工况节油效果

NEDC 工况基础车油耗7.2 L/100 km，怠速起停方案油耗6.7 L/100 km，48 V 方案油耗6.3 L/100 km，相比基础车型怠速起停方案和48 V方案燃油消耗量分别下降6.9%和12.5%。

瞬时油耗结果对比如图12 所示，仿真前、后电池SOC 平衡：车辆起动后的前2 个怠速段没有停机，是因为水温条件未达到停机条件，后面的怠速段全部实现停机，瞬时油耗为0；在加速段，电机进行动力辅助，电池SOC减小，瞬时油耗小于基础车；在减速段，电机进行能量回收，电池SOC增大，与基础车型相比，瞬时油耗没有变化。


图12 NEDC工况瞬时油耗对比

6 结束语

本文讨论了48 V 系统常用工作模式，建立了48 V系统怠速起停、制动能量回收和动力辅助的Simulink控制策略，基于AVL Cruise 软件建立了某车型的48 V 系统控制策略的验证模型，通过Cruise和MATLAB联合仿真的形式对控制策略的功能和48 V的节油效果进行了验证，结果表明48 V系统控制策略实现了怠速起停、制动能量回收和动力辅助的功能，在NEDC工况下相比基础车有12.5%的节油潜力。