48V-BSG轻混系统整车性能影响分析

黄旋

摘要： 随着油耗、排放法规的日益严苛，客户群体对于驾驶感受要求持续提升，为满足油耗目标及优化驾驶性，传统内燃机电动化日渐深入，而48V-BSG技术对于传统乘用车油耗指标、排放指标、驾驶性指标改善具备较好的性价比。本文应用Cruise对某汽油发动机应用48V-BSG技术方案在某整车上进行整车性能仿真分析，研究各工况及控制策略下48V-BSG对于发动机摩擦功、整车经济性、动力性影响，并通过性能试验结果与仿真数据比较分析验证性能仿真分析结果。

Abstract： With the increasingly stringent regulations on vehicle fuel consumption and emissions， the requirements of customer for driving experience continue to improve. In order to meet the fuel consumption target and optimize the drivability， the electrification of traditional internal combustion engines is deepening day by day， and 48V-BSG technology has a good cost performance for improving the fuel consumption index， emission index and drivability index of traditional passenger cars. In this paper， Cruise is applied to a gasoline engine using 48-VBSG technology to conduct vehicle performance simulation analysis on a vehicle， and the effects of 48V-BSG on engine friction work， vehicle economy and power performance under various working conditions and control strategies are studied. The results of performance simulation analysis are verified by comparison between performance test results and simulation data.

關键词： 48V-BSG;CAE仿真;整车性能仿真分析;动力性;经济性;试验验证

Key words： 48V-BSG;CAE simulation;simulation analysis of vehicle performance;dynamic performance;economy;experimental verification

中图分类号：U472.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0053-03

0  引言

2020年上半年全国汽车保有量达2.7亿辆，其中新能源汽车保有量达492万辆占全球4成以上[1]。汽车保有量的快速增加带来了环境与能源的双重危机，世界范围内的石化能源危机和越来越严苛的环保要求，汽车纯电动化和混动化是实现节能减排的重要途径[2]。2014年国家正式发布了第四阶段《乘用车燃油消耗量评价方法及指标》，到2020年乘用车平均燃油消耗量降至5.0L/100km[3]，开发较低油耗和排放的车辆具有重要市场竞争力。在严苛排放法规要求下，通过提高发动机燃油效率以达到新的油耗排放目标具有明显困难，而纯电动化技术受制于动力电池能量密度、低温使用环境及较高昂成本因素影响，48V-BSG（Belt-driven Srarter/Geneator皮带传动-启动/发电一体化电机）混合动力系统具有安全性高、成本较低和匹配性好等优点，尤其在气温寒冷的北方具有很好的市场需求。

BSG轻混系统结构简单，电池、电机均较小，在原车上无需较大改动，成本较低。将原有车内的12V供电电源调整至48V，高压部分只负责给大负载部件供电。通过把车用设备的标准电压提高到48V，使得它能够带动更大功率的车载系统，实现和车上其他系统更好的整合。当车辆在起步、短暂停车的时候，带48V系统的动力总成可以采用纯电驱动，从而避开燃油车起步时最耗油的怠速阶段;可以在发动机停机的状态下短暂接管空调，给空调压缩机功能，避免空调一并停机。48V-BSG电机对发动机工作环境具有很明显的优化作用，电机可以快速跨过发动机低转速区域，提高日常驾驶感受。在48V轻混系统的辅助下，以显著提升驾驶质感，且能显著降低油耗和改善车辆的NVH，停机时电机会通过混动系统拖曳发动机停机，令发动机停机更快速、平稳、安静。

本文采用Cruise和Simulink软件建立了48V-BSG混合动力系统整车模型，研究了不同工况和控制策略下48V-BSG混合动力系统对整车发动机摩擦功、经济性、尾气排放及动力性等方面的影响，并与台架试验结果进行对比，获得了48V-BSG混合动力系统在燃油经济性的效果，为新车型混合动力系统的研发提供一定的指导意见。

1  基本参数及性能目标

目标车型主要技术方案采用5档手动变速器，发动机采用1.5L自然吸气发动机，布置形式为前置后驱，BSG电机选用10kW（max扭矩40N·m），电池选用10Ah锂电池。

由于48V-BSG技术为轻度混动技术，整车性能提升目标定义相对原车提升幅度相对有限，其中动力性指标、经济性指标提升幅度约10%。

2  性能仿真模型及策略建立

本文采用Cruise与SIMULINK联合仿真，实现48VBSG发动机及整车动力性、经济性测算模型的搭建。同时，通过SIMULINK策略的调整实现各种策略的差异对于整车性能影响分析，结合整车实际控制策略，为整车策略的选择提供依据。

2.1 整车基础模型搭建及模型标定

整车性能仿真分析需就原始整车模型进行搭建并完成模型标定，确保基础模型性能仿真分析结果与试验结果相贴合。

基础模型标定结果见表1，与试验测试结果误差小于5%，满足仿真模型精度需求，可在此模型基础上开展BSG相关模型搭建。

2.2 整车模型及控制策略搭建

整车模型在基础模型基礎上增加电机模型、电机相关控制参数、控制策略等模块。

控制策略搭建由启停模块、能量回收模块、助力模块组成，通过车速、发动机负载信号、制动信号、电池SOC、发动机转速等信号输入进行逻辑判断，实现不同策略之间的调整与切换。

启停模块：根据驾驶员的操作与当前车辆状态来决定是否允许停机，由于发动机暖机起动所消耗的燃料大约相当于怠速运转0.7s所消耗的燃料，因此只要车辆停止时间超过1s即可通过启停模块降低油耗与排放。由于BSG电机相对传统启动电机具备更高的启动扭矩，可实现快速且平稳起动，同时将发动机拖拽至怠速以上后喷油点火，无需加浓，故对启动时排放与油耗存在明显改善（预估降低3%～6%的燃油消耗和有害物质排放）。

能量回收模块：车速高于设定值且电池SOC低于设定值时，通过制动信号使发动机熄火，离合器结合，BSG电机处于发电状态向48V电池充电，实现制动能量回收。

辅助助力模块：当电池SOC高于设定值且车辆需求高功率驱动时，BSG运行于驱动模式，对发动机进行扭矩辅助，或者，当SOC低于限定值且车辆功率需求较低时，提高发动机运行工作点使发动机剩余功率驱动BSG电机发电，迫使发动机更多的运行于排放或油耗经济区。此外，低速阶段由于传统自吸发动机扭矩有限，BSG助力扭矩可明显提升低速段整车加速性能。

针对NEDC工况，本文着重于通过策略的优化调整，综合驾驶性与经济性需求，使整车性能达成最优，为技术方案选型及性能目标达成可行性提供依据，指导进一步开展的研发工作。按控制策略在不同工况下的运行模式，可将本文策略分解如下两类：

①全工况助力与能量回收策略;

②高速能量回收策略。

3  性能仿真与试验结果分析

在上述模型基础上开展整车性能仿真分析，同时整车以BSG技术方案样车完成了动力性、经济性测试，通过比对分析各工况下性能仿真结果与试验结果，验证该模型精度并为类似BSG技术方案选型提供参考。

3.1 发动机试验结果分析

由于发动机性能参数受BSG及相应轮系存在一定程度的影响，首先，通过比对BSG电机技术方案与传统发电机技术方案发动机倒拖摩擦功，判断BSG电机技术对于发动机性能影响并更正Cruise模型中发动机倒拖模型参数。测试工况为BSG电机空载（不发电、不助力），发动机由测功机倒拖运行至转速800～6000rpm，测试结果如图1。试验结果确认发动机倒拖摩擦扭矩受BSG技术方案影响较小。

其次，通过试验比对发动机应用BSG技术前后万有特性参数，判断BSG技术对于发动机万有特性Map油耗影响并更正Cruise模型中发动机万有特性参数。测试工况为BSG电机空载，发动机由800～6000各转速负荷运转，测试结果如图1。试验结果确认BSG技术方案对发动机低速段比油耗存在2～5%负面影响，对发动机高速段存在10～18%的负面影响。

3.2 整车动力性性能仿真及试验结果分析

车辆载荷设置为满载，该车型为MT，换档策略设置为按发动机转速换档，计算各档最大加速度、0～100km/h原地起步连续换档加速时间及其它加速性指标，计算结果与试验测试结果比对如表2。

由上述仿真与试验结果可见，BSG技术对于整车低速段加速性能存在显著提升，但高速段影响较小。虽然传统发动机可以通过加装涡轮增压器、提升排量等方案提升动力性能，整车端也可以通过其他加装电机方案提升动力性，但相对的，48V-BSG技术方案对于动力性提升的幅度与提升成本的幅度相比使其更加具备经济价值。

3.3 整车经济性性能仿真及试验结果分析

NEDC工况下通过策略调整，实现不同工况及策略应用下整车经济性差异比对，分析各工况下各种策略选择的优势与劣势。

3.3.1 高速能量回收策略

BSG电机特性决定其高速助力不明显，同时低速工况能量回收效率低，此外，在改善BSG轮系可靠性能及整车NVH的同时也简化控制逻辑，降低控制难度与成本，仅中高速工况启动能量回收，除极端工况BSG电机全程助力实现动力性外，中低速避免BSG电机频繁启动。该策略性能仿真发动机运行工况如图2。

如上所示，采用高速工况能量回收策略，发动机工作工况与启停模型差异主要体现在能量回收导致的高速工况变化以及回收能量提供的电能导致部分工况的助力实现，该策略整车NEDC油耗仿真6.42L/100km，相较原车7L/100km油耗降低9%。

3.3.2 全工况助力与能量回收策略

如前文所述，NEDC工况条件下对发动机进行精细控制，以经济性指标为基准，通过逻辑判断定义BSG电机工况，进而实现全工况助力与能量回收，达成能量平衡的基础上，实现发动机运行工况优化，改善整车能耗。该策略性能仿真发动机运行工况如图3。

如上所示，采用全工况助力及能量回收策略，发动机工作工况与启停模型差异较大，发动机工况向经济区靠近幅度更大，同时回收能量工况的增多导致提供的电能增加，进而导致助力工况增多，整车油耗降低。该策略整车NEDC油耗仿真6.27L/100km，相较原车7L/100km油耗降低10.4%。

3.3.3 试验结果与性能仿真比对分析

实车验证采用低速工况助力与高速工况能量回收策略，总体上达成能量平衡，在此基础上完成整车经济性测试，实测油耗6.6L/100km。

综合以上策略及试验结果（表3），实测整车油耗降低幅度为9%，与开发目标6.3差距较小，基本达成开发目标。同时，相同控制策略模式下仿真数据与实测数据差距0.8%，满足仿真精度要求，在此基础上，可认为采用精细化控制模式可进一步降低油耗至6.27，实现10%以上油耗降幅。

4  总结

綜合以上仿真及试验结果比对，总结如下：

①BSG技术的应用对于发动机倒拖功影响较小，但对于发动机低速段燃油消耗率存在2%～5%，高速段燃油消耗率存在10%～18%不等的负面影响;

②由于发电效率相对较低，助力工况对于整车经济性改善效果并不显著，但对于低速段整车的加速性能存在明显提升。

③NEDC整车工况运行下，实测BSG技术应用对于整车经济性改善贡献10%，与低速工况助力与高速能量回收策略性能仿真数据偏差较小。

④该整车性能仿真模型性能仿真数据与试验数据符合性较好，可满足48V-BSG类型车型性能仿真需求，对整车策略的调试具备一定指导意义。

参考文献：

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