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48V微混动力系统功能分析及仿真研究

2021-03-02 23:33:15·  来源：Battery Insight view  作者：battery 风清扬  
　
1引言当前，为应对能源危机和环境问题，各国油耗法规日趋严格，混合动力汽车在节能和环保方面的优势已经越来越引起人们的关注。强混和中混的混合动力汽车由于增
1引言

当前，为应对能源危机和环境问题，各国油耗法规日趋严格，混合动力汽车在节能和环保方面的优势已经越来越引起人们的关注。强混和中混的混合动力汽车由于增加了电机动力源，虽然能较大程度降低油耗和排放，但其成本相对传统车增加较多。48V系统作为一种有效的节能技术，不仅能有效降低油耗和减少CO2排放，且因其成本相对较低而受到了各界的关注。同时，采用48V系统使得车辆可以承载功率更高的电气系统，带来了汽车市场的改变和增量。国内外已经有一些汽车产商推出了量产的48V车型，比如奔驰C260L、奥迪A6L、长安逸动和吉利博瑞，这些车型均有搭载48V系统的配置供消费者选购。

为了使某款车型在开发制造初期更好地匹配48V系统，有必要使用仿真软件对预搭载48V系统的汽车进行动力性和经济性仿真研究，以起到先期预测的作用。本文针对48V系统进行了构型方案及功能分析，基于改造的某款48V微混汽车建立了整车及各部件系统的模型，对整车的动力性及油耗经济性进行仿真，并与其传统原型车辆进行对比分析。结果表明，车辆搭载48V系统后不仅动力性有所提升，燃油经济性也有了较大改善。

2 48V动力系统结构分析

2.1 48V系统构型方案
在进行混合动力系统构型方案的选择时，综合考虑零部件成本、开发周期及技术难度等方面，选用48V系统能同时兼顾节油效率及终端车型价格，是一种有效的折中技术路线方案，同时在行业上，48V系统关键零部件的配套能力已具有一定的基础。采用主流的BSG电机方案，在系统成本、传统总成通用性和整车可搭载性等方面优势较明显，并能与传统车型共平台开发。
48V动力系统主要由发动机、变速箱、BSG（Belt-driven Starter/Generator）启动/发电一体化电机、动力电池组、12V蓄电池、传统起动机、DC/DC(Direct Cur⁃rent to Direct Current converter)直流转换器以及相应的控制器等组成，动力系统构型方案如下图1所示。
本文所述搭载48V系统车辆是在传统车基础上进行的微混合动力化改造，其功能样车外观如图2所示。为了实现混合动力汽车特有的一些功能，在传统车基础上增加了BSG电机和动力电池组。通过BSG电机的辅助，在保证整车动力性能的前提下，可优化发动机的工作区域，同时在滑行和制动阶段，48V系统能有效进行能量回收，将机械能转化为电能储存到动力电池中。通过48V系统特有的功能来降低油耗与排放，实现整车节能减排的目标。
2.2 48V系统电气拓扑
48V系统的电气架构配置一部分是沿用传统车的12V电气网络，另一部分是增加了48V电气网络。48V系统的电气拓扑结构如下图3所示，其中BSG电机总成内部主要包括电机本体、逆变器及MCU控制器，在电气上需要连接48V电池的正负极。48V电池总成内部主要由锂离子电池单体、电池管理系统BMS及相关电气附件组成，48V电池总成在电气上需要引出正负极供外部用电装置使用。DC/DC总成的主要功能是进行48V电池与12V电池之间的电压转换，在电气上需要连接48V电池的正负极以及12V电池的正负极。
48V系统中BSG电机及动力电池的设计需要满足相应的电压等级定义，具体描述如下。
（1）触电保护：当电压大于60V时，需要进行高压触电保护。
（2）过压保护：当电压范围为54V～58V时，需进行过压保护，且应有存储记录以备检查。
（3）功能限制的高电压范围：当电压范围为52V～54V时，48V系统部分功能受限。
（4）正常电压范围：当电压范围为52V～54V时，48V系统可实现全部功能。
（5）功能限制的低电压范围：当电压范围为24V～36V时，属于暂时允许的可恢复电压。
（6）低电压范围：当电压范围为20V～24V时，需进行欠压保护，且应有存储记录以备检查。
（7）低压保护：当电压低于20V时，需要进行低压电气保护。

3 48V动力系统功能分析

3.1 48V系统模式分析
相对于传统车，搭载48V系统的车辆兼具动力性和经济性的优势，可实现特有的混合动力功能，系统运行模式主要包括智能起停模式、发动机怠速模式、怠速充电模式、发动机驱动模式、联合驱动模式、行驶充电模式、能量回收等，以下分别对各模式的功能进行描述。
（1）智能停机模式：在车辆行驶过程中，驾驶员踩制动踏板使车辆静止，动力系统满足停机条件后，控制发动机熄火。
（2）智能起机模式：车辆处于静止状态，动力系统满足起机条件后，由BSG电机拉动发动机运转到目标转速，控制发动机喷油点火启动。
（3）发动机怠速模式：车辆从静止状态到发动机启动后，电池SOC足够多，不需要对电池进行充电，只需要控制发动机进入怠速模式。
（4）怠速充电模式：车辆处于静止状态，若发动机停机条件未满足，电池SOC不够，则控制发动机进入怠速发电模式，发动机维持在怠速点，电机处于发电。
（5）发动机直驱模式：车辆处于行驶状态，变速杆位于D或R挡，电池SOC处于正常范围，此时发动机单独驱动效率较高，则控制发动机直接进行单独驱动。
（6）联合驱动模式：车辆处于行驶状态，变速杆位于D或R挡，驾驶员有较大的加速需求，电池SOC高于某一值，电机可进行助力，则控制动力系统进入联合驱动，整车驱动行驶的动力源为发动机和电机。
（7）行车充电模式：车辆处于行驶状态，变速杆位于D或R挡，电池SOC过低，则控制车辆进入行车充电，整车驱动行驶的动力源为发动机，电机处于发电状态。
（8）能量回收模式：在车辆滑行或制动的过程中，变速杆位于D或R挡，控制电机进行动力系统能量回收。
在不同的48V系统运行模式下，各总成部件的状态是不同的，对各模式下的总成工作状态进行了分析，如表1所示。
3.2车辆驾驶模式分析
在本文所述的匹配48V系统的功能样车上设计了3种驾驶模式，包括正常模式（Normalmode）、经济模式（ECOmode）、运动模式（Sportmode）。正常模式的功能设计是兼顾车辆的经济性和动力性，且电机系统、空调系统和电附件的使用功率均不受限。经济模式的功能设计主要为实现车辆最佳的经济性，且空调系统处于节能模式，座椅加热功能均关闭。运动模式的功能设计主要为实现车辆最佳的动力性，部分用电器件的功率会做一些调整，整车要以较大的动力扭矩输出为主。用户可以根据实际道路及驾驶工况选择合适的模式。3种驾驶模式的对比分析如表2所示。
3.3混动能量流及驾驶模式显示
为进一步增加人机界面交互，基于48V汽车不同的混合动力系统模式及车辆驾驶模式，可以设计出不同的仪表显示方案，以提高用户的驾乘体验。在48V动力系统运行过程中，整车控制器HCU（Hybrid Con⁃trol Unit）在实现相应的控制策略模型之后，把混动模式能量流显示和驾驶模式显示信号发给组合仪表IC（Instrument Cluster），然后IC进行对应的模式信息显示。CAN总线上网络节点之间信号的收发形式如图4所示，具体的网络信号设计见表3。
当IC收到HCU发送的混动能量流信号时，根据信号中的Value值显示某一种系统模式的能量流，比如在联合驱动模式下，IC应能显示出发动机运行、电机输出扭矩及电池放电的能量流状态。当IC收到HCU发送的驾驶模式信号时，根据信号中的Value值显示某一种驾驶模式，比如E、N或S。模式显示设计有利于驾驶员更直观地了解到当前动力系统的运行状态。

4基于CRUISE建模与仿真

在CRUISE仿真软件中，进行48V动力系统各部件模型的建立，基于上述功能分析完成控制策略建模，包括行驶控制模式、发动机起停、换挡控制以及扭矩分配等策略模块，并利用仿真软件对整车的动力性和经济性进行计算。建立的48V动力系统仿真模型如图5所示。该48V微混汽车整车相关参数见表4，各动力总成部件参数见表5。
根据48V微混整车及动力系统各部件参数在CRUISE软件中进行模型搭建，并采用NEDC典型循环工况进行整车经济性仿真计算。NEDC工况谱如下图6所示，具体工况的数据统计可以参见国家标准GB/T18386—2017。
NEDC试验循环工况由4个市区循环（UDC）和1个市郊循环（EUDC）工况组成，试验距离为11.022km，时间为1180s。市区循环用于模拟传统的城市道路工况，每1个市区循环工况都包括了加速、减速、匀速和怠速4种工况，4个市区循环工况持续时间为780s，理论行驶距离为4.067km。市郊循环工况用于模拟市郊道路工况，持续时间为400s，理论行驶距离为6.956km，最高车速为120km/h。
基于CRUISE软件进行仿真计算，动力系统性能仿真结果对比如表6所示，相对于传统型车，匹配48V动力系统的车型具有明显的动力性提升和燃料经济性改善效果。如图7及图8所示，对于NEDC工况下的节油率，该款48V系统汽车相对传统车型百公里油耗可降低约12%，百公里加速时间可减少约1s。另外，因48V动力系统采用BSG作为启动/发电一体化电机，在车辆起动时利用BSG电机拉动发动机，能够大大提高平顺性，缩短起动时间，如图9所示，在0.3~0.5s时间内通过BSG电机可以将发动机转速快速拉升至怠速区，控制发动机喷油点火，实现发动机起机。同时能较大程度地降低车辆起动时的振动噪声水平，使得车辆舒适性得到进一步提升。

5结论

作为未来汽车节能减排的混合动力技术，48V微混系统是一种能够有效折中节油率和经济成本的混合动力系统方案。48V系统可实现发动机有效起停，优化发动机效率区域，具有电机助力和制动能量回收等功能，可降低整车油耗及CO2排放，提升车辆的NVH性能，是一种比较有前景的微混合动力系统方案。
本文通过介绍48V微混动力系统的构型方案，分析了48V微混汽车的系统功能和驾驶模式等控制策略，基于CRUISE软件，在一辆改装后的48V微混系统功能样车上进行了仿真计算分析，结果表明，匹配48V系统的汽车在动力性和经济性方面更具优势。在样车设计开发阶段，利用仿真软件进行计算研究，具有一定的借鉴和参考意义。
文章来源：中国第一汽车股份有限公司新能源开发院
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