48 V BSG 起停系统的节油潜力研究

蒋青松李丹阳 AI《汽车制造业》 2017-03-29

48 V BSG 系统很重要的一个功能是起停。本文对BSG 起停系统的结构、节油原理及控制策略展开分析，并利用Cruise 仿真软件及整车转鼓台架研究使用标准起停、扩展起停策略相对传统车的节油潜力。结果表明，仿真结果与数学理论计算结果或转鼓测试结果有着很好的一致性；扩展起停相比标准起停节油1% ～ 2%，相比传统车节油5% ～ 6%。

汽车产业快速发展加剧了能源与环境之间的矛盾。为此，我国出台了一系列汽车节能减排的措施，也发布了更为严格的汽车油耗排放法规。2016 年1 月1 日第四阶段的《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》标准开始实施，并明确了我国汽车节能标准的整体目标，每年将设置企业平均油耗达标值，2020年乘用车平均燃料消耗量达到5.0 L/100 km。这促使整车生产企业加快汽车先进技术的应用，其中混合动力作为一项主要降油耗技术在近年来越来越热门，并且不同的企业采用了不同的技术路线且已在部分车型上量产。48 V BSG 系统属于微混车的典型技术，其功能包括了起停、制动能量回收、转矩助力、电动怠速及智能充电等多项功能。通常，48 V BSG 系统可以给整车在NEDC 工况下带来8% ～ 10% 的节油效果，因而在行业内被广泛认可，国内外很多汽车企业均开展了相关的研究与应用。

起停作为48 V 技术的一项重要功能，起停的控制策略决定了整车的节油效果。本文基于一款MT 乘用车开发的48 V BSG 系统，通过仿真分析及转毂实测研究两种不同起停策略（标准起停和扩展起停）对整车燃油经济性的贡献。此外，AVL-Cruise软件在整车动力性、经济性仿真分析方面具有快速准确的特点，其Function 模块提供了编制复杂控制策略的平台，对混动车的控制策略的实现提供了有利的条件，从而选择该软件开展仿真分析。

起停系统结构及控制策略

1. 起停系统结构

图1 给出了带48 V BSG 系统的整车动力传动示意图。在原车上增加BSG 电动机、48 V 电池、DC/DC 逆变器及相应的传感器等部件，取消传统12 V 发电机，仍保留12 V 电池和起动机，以保证48 V 电池电量较低时仍可以起动车辆。BSG 电动机为一体化起动/ 发电机，通过皮带与发动机曲轴相连。48 V 池和12 V 电池之间通过DC/DC逆变器转换。48 V BSG 系统搭载的乘用车是约1.5 L 的手动档车型，其整车关键参数如表1 所示。

2. 控制策略

起停功能的节油原理是在满足一定条件时发动机实现自动停机且喷油系统停止向气缸内喷油，从而达到节油的目的；而在一定条件时也可以实现自动起动，从而不影响汽车的正常运行。可见，在一定的循环工况内发动机的停机时间越长，节油效果越明显。

48 V BSG 系统的起停策略有多种，在本文分为标准起停策略和扩展起停策略。标准起停策略下的发动机停机条件可以简单描述成车速接近于零、变速器处于空档且未踩下油门；而起动条件是踩下离合或者踩下油门或者档位是非空档。这样的起停策略控制容易实现，发生逻辑错误的概率低，但是从节油的角度来看并不是最佳的控制策略。扩展起停策略能比标准起停实现更长的发动机停机时间，能达到更节油的目的。其发动机停机条件可简单描述为车速小于某一设定值、踩下离合与制动踏板；而起动条件是油门踏板被踩下，或者换挡杆不在空挡且松开离合器。标准与扩展起停控制策略简要对比见表2。当然，发动机起停功能的实现还需要对48 V 电池电量SOC、发机水温与制动系统压力值进行标定。并且在满足起停功能时还需要对时间的延迟标定，才能避免发动机频繁停机与启动。

3. 试验方法

AVL-Cruise 软件提供了整车、发动机及变速器等模块，可以达到快速建模，对整车的动力经济性进行预测且进行仿真结果分析。其中Function 模块提供了可利用C 语言编制复杂控制策略的平台，对混动车的控制策略实现提供了有利的条件。

带有48 V BSG 系统的整车模型如图2 所示。该模型分为整车模型、冷启动校核及混动控制策略三个板块构成。整车模型是在原MT 车型的基础上加上BSG 电动机、48 V 电池模块。由于电动机和发动机之间由皮带连接，本文使用GearBox 中的Single Ratio Transmission模块来代替。控制模块使用Special Modules 中的Function模块C-code 模式建立扩展起停控制策略。在不带任何混动功能时，用原MT 车实测数据对整车模型进行校核。然后再加入起停模块，使用标准起停与扩展起停策略分析燃油经济性的变化规律。因为只研究起停功能，所以模型中其它的48 VBSG 系统功能将设置成不起作用状态。整车际油耗试验在SGMW 转毂台架并按照乘用车油耗测试标准开展，对原车、带标准起停功能及扩展起停功能三种状态进行多次油耗测试，并用以验证模型的可靠性与准确性。

节油效果与分析

1. 仿真与实验结果对比图3 分别给出了在原车、带标准起停功能及扩展起停功能三种状态下Cruise 软件仿真与转毂实测的NEDC 循环综合油耗结果的对比。可见，扩展起停的综合油耗最低，实测的平均值为6.65 L/100 km 而仿真值为6.67 L/100 km，比标准起停的综合油耗低约0.10 L/100 km，约1.5%，而比原车的综合油耗低约0.44 L/100 km，约6.2%。此外，在原车、带标准起停功能及扩展起停功能三种状态下的仿真值与实测值都非常接近，绝对误差不超过±0.02 L/100 km，充分说明了模型的准确性。

为了进一步验证模型的准确性，图4 给出了在原车的状态下仿真与实测的瞬时油耗对比。除了开始段的仿真怠速油耗偏高于实测，其他无论是加速工况、减速工况、怠速工况，还是在匀速工况下仿真结果都能够很好地吻合实测结果。同样，在标准起停与扩展起停状态下也能观察到同样的现象。

2. 分析与讨论

扩展起停策略之所以能够有最低的油耗，是因为其使发动机在NEDC 循环下怠速工况时停机，且时间长于标准起停策略。通过Cruise 仿真模型很好地显示两种控制策略的停机时间关系。图5（a）描绘了油门踏板信号、制动踏板信号、离合器信号及档位信号在某段速度区间内随时间的变化过程，图5（b）描绘了对应速度段内原车、带标准起停功能及扩展起停功能三种状态下的转速的变化过程。

图5 的时间段内，标准起停策略的停机时间长约为17s，而扩展起停的停机时间长约为23 s。扩展起停策略比标准起停早停机约1 s，晚启动约5 s，总
停机时间延长了6 s。考虑到在发动机水温较低的时候起停功能不起作用，在整个NEDC 循环中标准起停策略停机约195 s，而扩展停机则达到了约261 s。

发动机减少的怠速时间T对应的节省油耗量，可以按下式（1）进行计算。式中： △ F C 为节省油耗量（L/100 km）；T 为发动机减少的怠速时间（s）；F Idle 为发动机怠速油耗率（mL/s）；DNEDC 为NEDC 循环总里程km。本次试验中发动机的台速油耗FIdle 约为0.15 ml/s，而NEDC循环的总里程约为11 km，因此可以算得扩展起停较标准起停节省的燃油量为0.09 L/100 km，这与仿真结果及试验实测的结果一致。但是，扩展起停较原车节省0.36L/100 km，这与仿真结果及试验实测的结果出现偏差。主要是由于在温度比较低的时候，发动机的怠速转速比较高，导致怠速油耗率将大于0.15 ml/s。