48 V汽车发动机起停功能分析及设计研究

2021-02-01伍庆龙张天强杨钫

汽车文摘 2021年2期

关键词：停机扭矩控制器

伍庆龙张天强杨钫

（1.中国第一汽车股份有限公司新能源开发院，长春130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130013）

主题词：48 V动力系统起停分析起停控制主动预测

缩略语

BCM Body Control Module

BMS Battery Management System

BSG Belt-driven Starter/Generator

CAN Controller Area Network

DC/DC Direct Current to Direct Current converter

EMS Engine Management System

HCU Hybrid Control Unit

IC Instrument Cluster

MCU Motor Control Unit

SOC State Of Charge

TCU Transmission Control Unit

1 引言

随着能源紧张与环境污染不断加剧，新能源汽车的研发已经受到了各大汽车厂商的重视，市场上也已经涌现出了不同类型的混合动力汽车[1]。混合动力汽车的动力系统主要是由发动机和电驱动系统组成，通过先进的整车控制和能量管理技术实现动力性和经济性的提升，并降低了车辆排放。混合动力汽车按照混合度可分为强混、中混、轻混和微混4 种类型，48V混合动力汽车属于微混合动力汽车，它是在原有传统动力总成发动机系统中匹配了BSG 电机和动力电池组[2]。与强混合动力汽车相比，48 V 微混涉及的成本较少[3]、变化较小、且易于实现降能耗和减少排放[4-5]，节油率可以达到12%以上，同时也可以匹配不同的构型方案[6]。国内外已有不少制造商开发了48 V系统及零部件，比如麦格纳开发的48 V总成部件[7]、大陆电子的48 V系统，以及博格华纳推出的e-Booster也与48 V相关[8],同时，市场上已出现较多的48 V量产车型。中国乘用车市场在2017～2018 年集中上市了多款48 V微混车型，其中自主品牌，如长安逸动CS55 蓝动版、江淮瑞风M4 Hyboost车型、吉利博瑞GE MHEV车型，合资品牌，如奔驰S500L、奥迪A8L/A6L、奔驰C260。

目前传统汽车上的发动机起停控制技术，由于采用的是12 V 启动电机，起动时间长和起动短时不平顺，造成了一些客户的困扰。当处于市区拥堵工况运行时，这类缺点更易被放大，发动机的频繁起机和停机严重影响驾驶感，同时也易降低发动机的使用寿命，而48 V 汽车电压等级提高了，可利用BSG 电机实现快速起停，起机时间更短且更平稳,并能够在不同的构型中实现不同的功能[9],使得发展48 V 成为了新能源节能汽车的一个重要方向[10]。由于48 V 微混合动力系统的特殊性，原传统车的起停条件和功能设计已不能够满足现有的技术需求，因此，本文针对48 V 车辆的发动机起停功能进行了分析、设计及测试，同时提出了基于多维度、多路况的发动机起停主动预测功能，旨在为相关工程人员提供设计参考。

2 48 V动力系统构型原理

2.1 48 V动力系统构型方案

48 V 微混合动力汽车的动力系统结构（如图1），主要由发动机、变速箱、BSG 电机、动力电池组、离合器、减速器以及相应的控制器组成。本文匹配的电机峰值功率为10 kW，电池峰值放电功率为12 kW，可用能量192 W·h。控制器包括整车控制器（HCU）、电池管理系统（BMS）、电机控制器（MCU）、发动机控制器（EMS）以及变速箱控制器（TCU）。其中，BSG 电机作为启动和发电一体机，与发动机通过皮带轮系相连，不仅能够提供电机驱动，还能与发动机联合共同驱动车辆，使得动力传输能力更强，同时，在车辆滑行和制动过程中还可以利用电机进行能量回收。

2.2 48 V动力系统控制原理

在48 V微混合动力系统中，基于整车控制器HCU的核心协同运行算法，通过与EMS、MCU、BMS及TCU在不同行驶状态下的控制设计，合理分配不同动力源的扭矩输出，可以实现多种混合动力系统功能运行模式。其中，需要HCU 做好关键的行驶状态控制，具体实现包括上下电管理、发动机起停功能、驾驶员扭矩需求计算、系统扭矩分配、总成能力计算、能量管理功能以及安全监控。最终表现在实车上，可以实现的运行模式包括发动机智能起停、电爬行、怠速充电、发动机驱动、联合驱动、行车充电、能量回收、滑行模式。

图1 48 V动力系统构型方案

通过HCU 接收MCU 的电机参数信息，可以控制电机进入不同的工作模式，比如扭矩模式和转速模式、以及控制电机输出相应数值用于满足车辆驾驶需求，实现助力、联合驱动及能量回收功能。HCU 接收BMS的电池电压、电流、SOC以及模式状态，控制电池主继电器的闭合时机，实现动力系统的上下电功能。HCU 接收EMS 的水温、暖机请求等信号，结合整车运行状态控制发动机的扭矩输出和断油，实现发动机的起停功能。HCU接收TCU的挡位信号，结合驾驶行为状态，控制离合器打开和闭合，实现车辆的换挡功能。

2.3 48 V动力系统网络拓扑

48 V微混合动力汽车与传统汽车有所不同，分为48 V 高压线路和12 V 低压线路2 个部分，2 者之间通过电压转换装置DC/DC 连接。高电压系统承担动力总成、空调、底盘等大功率电子器件的负载，低电压系统则为车灯、车载电脑、显示屏等低功率负载供电。DC/DC 主要功能是进行48 V 电池与12 V 电池之间的电压转换，在电量传输模式下，能量从48 V 电气网络向12 V电气网络传输，对12 V电气网络进行供电。

由于48 V 微混汽车新增了BSG 电机和48 V 电池等零部件，需要对原车上的CAN网络架构进行改造或者重新设计。本文所述的48 V动力系统的CAN通信网络架构设计结果如图2 所示。与整车控制器HCU相连接的网络有2路，分别为混动网络Hybrid-CAN和动力网络PT-CAN。其中，Hybrid-CAN 连接了BMS、MCU、DC/DC 及EMS；PT-CAN 连接了IC、TCU、EPS 以及其他控制器。整车控制器HCU除了主控制之外，在CAN 网络中还可起到网关作用，用于连通Hybrid-CAN 和PT-CAN，能够直接与车辆上的各主要控制器进行通信，达到实时控制的效果。

图2 48 V动力系统网络拓扑

3 发动机起停系统

发动机起停系统功能的触发，通常是在车辆短暂停止或滑行过程中，根据驾驶操作以及功能需求的设计来控制发动机的起停，比如在短暂等红灯时，临时关闭发动机避免燃油消耗、或者自动触发停机、或者在滑行过程中实现滑行起停功能。在48 V 微混汽车动力系统中，当HCU 判定汽车处于怠速运转工况时，会依据停机的条件实现发动机停机，以克服传统的怠速工况造成的高油耗，从而实现节能减排的目标。当驾驶员试图行车时，HCU会依据起机条件自动发出起动指令，利用BSG 带动发动机起动，该起动时间比传统起动时间更短和更平顺。

发动机起停系统构成如图3所示，HCU整车控制器根据驾驶员的操作行为、各子系统控制器反馈的信号以及通过传感器采集到的各部件的状态信号。通过内部模块控制算法确定发动机的起停功能是否被触发。如果满足起停的触发条件，HCU会将控制指令通过CAN 总线发送给MCU 和EMS，控制电机和发动机按既定的程序指令运行，最终实现发动机的起停控制。48 V系统发动机起停功能所涉及的零部件如表1所示，提供的信号可用于起停功能的触发条件判断。

4 发动机起停控制

4.1 发动机起停条件

HCU根据48 V微混动力系统上电状态、车辆行驶状态、驾驶员操作行为、电池SOC 及其他各子系统状态，决定发动机是否起机或停机，因此，需要合理设置发动机的起停条件及模块调用机制。

在控制发动机起机时，应充分考虑满足起机的条件，只有满足条件时，HCU 才能控制发动机起机。相应的起机条件包括（满足以下任意条件即可起机）：

（1）48 V电池SOC低于预设值；

（2）发动机水温低于预设值；

（3）空调系统有打开的请求；

（4）制动真空度不足；

（5）P/N挡下，油门踏板开度大于预设值；

（6）车辆静止时驾驶员挂入D/R 挡，车辆开始起步；

（7）发动机本身原因禁止停机的，继续保持运行。

图3 48 V系统发动机起停控制系统

表1 起停功能涉及零部件说明

在控制发动机停机时，应充分考虑满足停机的条件，只有满足条件时，HCU 才能控制发动机停机。相应的停机条件包括（均满足以下条件时才能停机）：

（1）48 V电池SOC高于预设值；

（2）发动机水温高于预设值；

（3）空调系统无打开的请求；

（4）制动真空度足够；

（5）P/N挡下车速低于预设值，或者D挡下踩制动使制动压力大于预设值；

（6）发动机没有禁止停机的请求；

（7）电池可用功率大于预设值，满足自动起机时的功率要求；

（8）BSG 许用功率大于预设值，满足自动起机时的功率要求。

4.2 发动机起机控制时序

为了便于理解发动机的起机过程，绘制某款48 V车型的起机时序，如图4所示。利用BSG 电机拖动发动机起机的控制流程要基于HCU 的信号指令。当动力系统满足上述发动机起机条件时，HCU发送BSG电机起机信号请求，控制电机输出起动扭矩，将发动机拖至目标转速n1且持续预设时间＞t1，HCU发送供油请求指令，EMS 控制发动机喷油点火进入怠速模式，并保持发动机在怠速转速附近工作，之后控制BSG电机输出怠速扭矩并逐渐降低扭矩输出，最后由EMS接管扭矩，完成BSG电机和发动机的扭矩交替输出。当发动机转速高于预设转速n2且维持预设时间＞t2，则发动机起动完成，EMS 应向HCU 反馈发动机起动完成的CAN信号，整个发动机起机过程结束。

图4 发动机起机控制时序

4.3 发动机停机控制时序

发动机停机的控制方法要基于HCU 的断油信号指令，发动机停机的控制时序如图5所示。HCU根据整车及零部件状态判断条件是否符合停机，当符合停机要求时，HCU 通过向EMS 发送断油请求，此时EMS应快速响应HCU发送的断油请求，控制发动机转速从怠速转速逐步降低，使得发动机完成从怠速工作状态至断油停机的控制。当发动机转速低于预设转速n3且维持预设时间＞t3，则发动机停机完成，EMS 应向HCU 反馈发动机停机完成的CAN 信号，整个发动机停机过程结束。

图5 发动机停机控制时序

5 发动机起停试验分析

为了验证利用BSG 电机起动发动机的优势，通过在某辆匹配48V 系统的汽车上进行发动机起停功能的试验测试。在车辆短暂停车过程中，驾驶员松开制动踏板，HCU 检测到满足起机条件时，通过内部控制模块能够有效地触发起机程序，从试验结果可以看出，起动时利用BSG 电机拉动发动机，起机时间缩短至0.3 ～0.5 s，如图6 所示。这种起机方式通过BSG 电机将发动机快速拉升至怠速区，实现喷油点火起机，可以较大程度地缩短起动时间，并提高车辆起机平顺性。

图6 BSG电机起动过程分析

6 主动预测起停功能

6.1 智能网联信息采集系统

当前汽车行业正朝着新四化的方向发展，即电动化、网联化、智能化和共享化。以电动化为基础实现节能出行，以网联化为纽带实现大数据共享，以智能化为方向实现美妙出行，这些或将成为汽车实现终极智能驾乘目标的可行途径。在新能源汽车先进技术开发方面，智能的主动预测功能开发也成为了一大热点，为此，本文提出和论述基于多维度、多路况的发动机主动预测起停功能的开发方案。

在主动预测发动机起停功能时，需要智能网联控制系统对车辆行驶状态、驾驶行为状态以及路况环境状态进行监控，如图7所示。智能网联对采集的数据信息进行预处理，并把参数结果发给HCU，HCU 基于智网参数信息以及各动力源的实时运行状态主动预测发动机起停时机。

图7 智能网联信息采集方案

（1）车辆行驶状态监控

通过传感器设备和CAN网络总线，获取车辆的行驶车速、车辆加速度、车辆挡位信息等参数，为整车控制系统提供参数输入。

（2）驾驶行为状态监控

通过传感器获取油门踏板和制动踏板参数，通过CAN网络总线信号获取驾驶模式。其中，驾驶模式是指驾驶员选择的车辆操纵模式，比如有经济模式、运动模式或雪地模式等。

（3）路况环境状态监控

通过传感器设备和CAN 网络总线，获取转向行车等参数，通过智能网联大数据(结合GPS导航数据)，判断行车路况分布，各路段的拥挤程度，以及判断下一个红绿灯分布以及距离，为主动预测起停提供数据支撑。

6.2 主动预测起停系统

根据智能网联控制系统实时采集和监控到的信息，HCU再结合各总成的运行状态，实现基于多维度、多路况的起停预测功能，如图8所示。根据发动机转速、扭矩和节气门开度、变速箱输出轴转速和扭矩、电池SOC、电流和电压、电机转速、扭矩、电流和电压等参数来提前制定发动机的起停控制策略，做到提前识别何时起动发动机，进一步优化工作区域，减少油耗和排放。

图8 基于多维度的起停预测功能方案

通过车辆装配的智能网联控制系统，包括感知设备和通信设备等，HCU可以实时获取自身车辆的行驶状态、前方车辆行驶状态以及路口红绿灯时间等信息。比如当发现前方为红绿灯路口时，检测到与前车间距小于s1时且2 者速度差值小于v1时，可以主动控制滑行停机。当车处于红绿灯交叉路口，利用导航数据算出停车等待时间，判断与前车的间距及速度差值是否超过阈值等，可以主动进行提前起机，以更好地匹配用户行车意图。

通过基于未来路况信息的主动预测起停功能，利用雷达，摄像头，GPS导航数据，提前了解车辆前方的路况信息，利用先进控制技术实现主动滑行停机或起机，避免到达拥挤路段跟前时才紧急制动停机，这种方法在智能驾驶以及未来降油耗方面有一定的开发前景。