宋浩源 郁大嵬 尹建坤 劉元治

（1. 中國(guó)第一汽車股份有限公司新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130013；2. 汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：48 V混合動(dòng)力車輛 跛行 電壓控制 控制策略

BSG Belt-Driven Starter Generator VCU Vehicle Control Unit EMS Engine Management System BMS Battery Management System DC/DC Direct Current Direct Current Converter TCU Transmission Control Unit CAN Controller Area Network MHEV Mild Hybrid EV

1 前言

隨著國(guó)家油耗、排放法規(guī)的愈發(fā)嚴(yán)苛，節(jié)能減排成為各大車企必須面臨的挑戰(zhàn)，而48V 混合動(dòng)力系統(tǒng)得益于硬件成本低、節(jié)油效果顯著而受到各大整車廠商的關(guān)注。

目前，奔馳、奧迪、長(zhǎng)安、吉利等國(guó)內(nèi)外整車廠商已經(jīng)推出自己的48 V混動(dòng)車型，博世等供應(yīng)商也已經(jīng)推出自己的48 V混合動(dòng)力系統(tǒng)解決方案，在未來(lái)較長(zhǎng)的一段時(shí)間，48 V系統(tǒng)將占據(jù)一定的地位。

48 V 輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)是通過(guò)升高電壓為車輛低壓系統(tǒng)用電設(shè)備提供更多的功率，并通過(guò)協(xié)調(diào)電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停、停機(jī)滑行、能量回收、加速助力、電巡航、單一動(dòng)力總成跛行回家功能，相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠減少15%的二氧化碳排放。本文將介紹一種48 V系統(tǒng)的跛行控制方法，維持48 V 電壓為整車低壓系統(tǒng)供電的同時(shí)，能夠長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)距離的維持車輛行駛。

2 48 V混合動(dòng)力系統(tǒng)

本文研究對(duì)象為包含電動(dòng)/發(fā)電(BSG)一體機(jī)、12 V 起動(dòng)機(jī)和48 V 電池組的48 V 混合動(dòng)力系統(tǒng)，如圖1 所示，由整車控制器(VCU)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（EMS）、電機(jī)控制單元（MCU）、電池控制單元（BMS）、DC/DC 控制單元、變速箱控制單元（TCU）以及控制器對(duì)應(yīng)的總成等組成。

圖1 48 V混合動(dòng)力系統(tǒng)

48 V 混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制主要通過(guò)CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，控制器通過(guò)整車CAN 網(wǎng)絡(luò)獲取總成的信息，分析駕駛員駕駛意圖與動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的扭矩需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)48V動(dòng)力系統(tǒng)中各部件的控制。

在48 V系統(tǒng)中，整車控制器通過(guò)與各個(gè)控制單元進(jìn)行交互，協(xié)調(diào)控制動(dòng)力總成實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）48 V供電控制；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)起停；

（3）能量回收

（4）電動(dòng)助力；

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)；

由于加入了BSG電機(jī)，48 V系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)包含2 種方式：（1）與傳統(tǒng)車類似的起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，（2）BSG電機(jī)拖動(dòng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中BSG電機(jī)兼具發(fā)電與驅(qū)動(dòng)的功能。

3 跛行功能電壓控制策略

車輛正常行駛過(guò)程中，48 V電機(jī)均工作在扭矩控制模式下。在48 V 混合動(dòng)力系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為車輛的主要?jiǎng)恿υ矗?8 V 電池實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)助力與能量回收，并通過(guò)DC/DC的充電電壓維持整車低壓用電電子設(shè)備供電。

當(dāng)48 V 電池出現(xiàn)嚴(yán)重故障，無(wú)法維持高壓時(shí)，車輛低壓系統(tǒng)用電全部來(lái)自12 V 蓄電池，導(dǎo)致12 V 蓄電池電量快速下降，車輛無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間跛行行駛。此時(shí)無(wú)論BSG 處于什么工作狀態(tài)(發(fā)電、電動(dòng)或隨轉(zhuǎn)),均需要轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)給整車用電設(shè)備供電。

基于以上所述，由BSG電機(jī)發(fā)電使系統(tǒng)維持48 V電壓向低壓系統(tǒng)供電成為了可能。

BMS實(shí)時(shí)監(jiān)控48 V電池當(dāng)前的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)繼電器無(wú)法閉合或單體電壓過(guò)低而無(wú)法繼續(xù)工作的嚴(yán)重故障時(shí)，BMS 將當(dāng)前故障狀態(tài)上報(bào)給VCU，VCU檢測(cè)到出現(xiàn)以上故障時(shí)，控制電機(jī)由扭矩控制模式轉(zhuǎn)為電壓控制模式，電壓控制目標(biāo)為電機(jī)母線電壓值維持在一定范圍內(nèi)，電壓控制參數(shù)可通過(guò)48 V MHEV模型進(jìn)行聯(lián)合仿真確定；駕駛員驅(qū)動(dòng)扭矩由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行響應(yīng)。

在電壓控制模式下，各個(gè)部件承擔(dān)的功能如下：

BSG 電機(jī)：通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，維持48 V 系統(tǒng)的電壓；

發(fā)動(dòng)機(jī)：承擔(dān)駕駛員駕駛需求扭矩和BSG電機(jī)的發(fā)電扭矩需求；

DC/DC：將48 V 電壓轉(zhuǎn)換為12 V 電壓，為車輛的低壓系統(tǒng)供電；

約束條件：

（1）BSG電機(jī)發(fā)電扭矩在電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速的許用扭矩能力范圍之內(nèi)；

（2）BSG電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)目標(biāo)電壓在DC/DC總成正常工作電壓范圍之內(nèi)，本文中設(shè)定為36～52 V；

（4）BSG電機(jī)發(fā)電時(shí)扭矩在發(fā)動(dòng)機(jī)許用最大扭矩能力范圍之內(nèi)；

（5）BSG電機(jī)轉(zhuǎn)速低于自身最大允許轉(zhuǎn)速；

（6）發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩低于自身最大許用扭矩；

（7）車速在跛行模式最大車速限制之內(nèi)；

由于48 V電機(jī)調(diào)節(jié)目標(biāo)電壓能力較弱，為維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，在整車控制器識(shí)別到電壓幅值變化較大時(shí)，限制DC/DC 的電流輸出，因此對(duì)DC/DC 總成增加一條約束；

（8）DC/DC輸出電流小于VCU發(fā)出的最大低壓端輸出電流限值；

為正常實(shí)現(xiàn)跛行模式下的電壓控制策略，涉及各總成的扭矩、轉(zhuǎn)速與電流均需滿足以上約束條件。

電壓控制過(guò)程由VCU主導(dǎo)協(xié)調(diào)控制各部件實(shí)現(xiàn)。

VCU 對(duì)電機(jī)的指令為電壓請(qǐng)求指令，請(qǐng)求值為44 V，MCU收到指令后按公式（1）輸出發(fā)電扭矩，維持電機(jī)母線電壓為VCU電壓請(qǐng)求值：

式中，為電機(jī)扭矩； 為VCU 的電壓請(qǐng)求值；為電機(jī)當(dāng)前母線電壓值；k，m 為系數(shù)，具體值可通過(guò)臺(tái)架標(biāo)定確定。

VCU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的指令為扭矩請(qǐng)求指令：

式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；為駕駛員需求扭矩；為電機(jī)扭矩。

通過(guò)以上策略，實(shí)現(xiàn)在維持母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)，響應(yīng)駕駛員扭矩需求以正常驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

3.1 48 V系統(tǒng)上電前電壓控制策略激活

圖2 所示為48 V 系統(tǒng)上電前電壓控制策略激活流程。

圖2 48 V上電前電壓控制策略激活流程

48 V 系統(tǒng)未上電時(shí)，此時(shí)電池出現(xiàn)嚴(yán)重故障，且發(fā)動(dòng)機(jī)、BSG電機(jī)、DC/DC 總成未出現(xiàn)不能運(yùn)行故障，激活電壓控制策略。

VCU 判斷滿足激活條件后控制起動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功并進(jìn)入怠速狀態(tài)后，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，在車輛驅(qū)動(dòng)時(shí)VCU控制發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)駕駛員需求的同時(shí)，承擔(dān)BSG電機(jī)維持系統(tǒng)目標(biāo)電壓所消耗的功率的任務(wù)，此時(shí)DC/DC能夠維持車輛低壓系統(tǒng)的正常供電。

3.2 48 V系統(tǒng)上電后電壓控制策略激活

圖3 所示為48 V 系統(tǒng)上電后電壓控制策略激活流程。

圖3 48 V系統(tǒng)上電后電壓控制策略激活流程

VCU 判斷滿足激活條件后判斷發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)與48 V 系統(tǒng)狀態(tài)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行并且48 V 系統(tǒng)完成下電，之后控制流程與圖2所述一致。

電壓控制策略激活完成后，整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，保證用戶跛行回家的需求。

3.3 電壓控制策略退出

圖4所示為48V系統(tǒng)電壓控制策略退出流程。

圖4 電壓控制策略退出流程

當(dāng)VCU檢測(cè)到鑰匙門下電，或相關(guān)總成出現(xiàn)故障時(shí)，退出電壓控制模式，控制DC/DC、BSG 電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，并對(duì)48 V系統(tǒng)進(jìn)行快速放電。

48 V系統(tǒng)完成快速放電后，電壓控制模式退出完成。

4 48V系統(tǒng)電壓控制策略測(cè)試與驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中提出的電壓控制策略的有效性，選取某個(gè)自主品牌的48 V車型，通過(guò)注入電池的嚴(yán)重故障，在不同車速和不同用電工況條件下對(duì)控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，

電壓控制的目標(biāo)為維持電機(jī)母線電壓的穩(wěn)定，通過(guò)DC/DC 滿足低壓負(fù)載的用電需求。如表1所示，在不同車速和較為劇烈的低壓用電條件下，電壓維持在正常范圍內(nèi)，電壓控制模式可以持續(xù)穩(wěn)定工作。

表1 不同車速和不同工況條件試驗(yàn)結(jié)果

下面選取3 組數(shù)據(jù)，對(duì)上述的電壓控制策略的進(jìn)入、控制及退出過(guò)程進(jìn)行分析。

圖5 為48 V 系統(tǒng)上電前電池故障激活電壓控制過(guò)程，在48 V 系統(tǒng)上電前注入電池嚴(yán)重故障，上電后VCU 控制起動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)進(jìn)入電壓控制模式，發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)完成后帶動(dòng)電機(jī)通過(guò)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)控制系統(tǒng)電壓維持在44 V。在第200～350 s的車輛行駛過(guò)程中通過(guò)快速打方向盤、打開(kāi)空調(diào)、雨刮與收音機(jī)模擬劇烈用電工況，電壓依然可以維持在合理范圍內(nèi)，車輛能夠穩(wěn)定響應(yīng)駕駛員需求持續(xù)行駛。

圖5 48 V系統(tǒng)上電前電池故障激活電壓控制過(guò)程

圖6中，48 V系統(tǒng)上電后，在第35 s時(shí)注入電池嚴(yán)重故障激活電壓控制策略，整車控制器控制電池繼電器斷開(kāi)，BSG電機(jī)退出扭矩控制模式并進(jìn)入電壓控制模式維持母線電壓穩(wěn)定在44 V附近，48 V系統(tǒng)由正常工作模式順利切入電壓控制跛行模式。

圖6 48 V上電后電池故障激活電壓控制過(guò)程

圖7為48 V上電后電池故障激活電壓控制過(guò)程，當(dāng)滿足電壓控制模式退出條件時(shí)，VCU控制DC/DC總成停止工作，BSG 電機(jī)退出電壓控制模式，并完成放電，電壓控制模式順利退出。

圖7 48 V系統(tǒng)電壓控制模式退出過(guò)程

5 結(jié)論

本文針對(duì)48 V 混合動(dòng)力系統(tǒng)提出了一種跛行模式電壓控制策略，在滿足約束條件下，利用BSG電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)維持系統(tǒng)電壓，通過(guò)DC/DC向車輛低壓系統(tǒng)供電，而發(fā)動(dòng)機(jī)則負(fù)責(zé)承擔(dān)駕駛員駕駛需求扭矩和電機(jī)發(fā)電的功率消耗，能夠維持車輛長(zhǎng)時(shí)間的跛行行駛。

本文還對(duì)提出的電壓控制方法進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，試驗(yàn)表明，車輛能夠順利按照策略進(jìn)入和退出電壓控制模式，即使在劇烈用電工況下，依然能夠維持系統(tǒng)電壓在正常范圍之內(nèi)，控制效果良好，保證了車輛的跛行行駛功能。