48 V混合动力系统跛行模式电压控制策略研究

宋浩源 郁大嵬 尹建坤 刘元治

（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混合动力车辆 跛行 电压控制 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

随着国家油耗、排放法规的愈发严苛，节能减排成为各大车企必须面临的挑战，而48V 混合动力系统得益于硬件成本低、节油效果显著而受到各大整车厂商的关注。

目前，奔驰、奥迪、长安、吉利等国内外整车厂商已经推出自己的48 V混动车型，博世等供应商也已经推出自己的48 V混合动力系统解决方案，在未来较长的一段时间，48 V系统将占据一定的地位。

48 V 轻度混合动力系统是通过升高电压为车辆低压系统用电设备提供更多的功率，并通过协调电动机与发动机功率输出，实现发动机自动起停、停机滑行、能量回收、加速助力、电巡航、单一动力总成跛行回家功能，相对于传统发动机能够减少15%的二氧化碳排放。本文将介绍一种48 V系统的跛行控制方法，维持48 V 电压为整车低压系统供电的同时，能够长时间长距离的维持车辆行驶。

2 48 V混合动力系统

本文研究对象为包含电动/发电(BSG)一体机、12 V 起动机和48 V 电池组的48 V 混合动力系统，如图1 所示，由整车控制器(VCU)、发动机控制单元（EMS）、电机控制单元（MCU）、电池控制单元（BMS）、DC/DC 控制单元、变速箱控制单元（TCU）以及控制器对应的总成等组成。

图1 48 V混合动力系统

48 V 混合动力系统的控制主要通过CAN 网络进行通讯，控制器通过整车CAN 网络获取总成的信息，分析驾驶员驾驶意图与动力系统运行状态，计算发动机与电机的扭矩需求，实现对48V动力系统中各部件的控制。

在48 V系统中，整车控制器通过与各个控制单元进行交互，协调控制动力总成实现以下功能：

（1）48 V供电控制；

（2）发动机起停；

（3）能量回收

（4）电动助力；

（5）发动机工作点调节；

由于加入了BSG电机，48 V系统发动机起机包含2 种方式：（1）与传统车类似的起动机拖动起动发动机，（2）BSG电机拖动起动发动机，其中BSG电机兼具发电与驱动的功能。

3 跛行功能电压控制策略

车辆正常行驶过程中，48 V电机均工作在扭矩控制模式下。在48 V 混合动力系统中，发动机作为车辆的主要动力源，48 V 电池实现驱动助力与能量回收，并通过DC/DC的充电电压维持整车低压用电电子设备供电。

当48 V 电池出现严重故障，无法维持高压时，车辆低压系统用电全部来自12 V 蓄电池，导致12 V 蓄电池电量快速下降，车辆无法进行长时间跛行行驶。此时无论BSG 处于什么工作状态(发电、电动或随转),均需要转为发电状态给整车用电设备供电。

基于以上所述，由BSG电机发电使系统维持48 V电压向低压系统供电成为了可能。

BMS实时监控48 V电池当前的工作状态，当出现继电器无法闭合或单体电压过低而无法继续工作的严重故障时，BMS 将当前故障状态上报给VCU，VCU检测到出现以上故障时，控制电机由扭矩控制模式转为电压控制模式，电压控制目标为电机母线电压值维持在一定范围内，电压控制参数可通过48 V MHEV模型进行联合仿真确定；驾驶员驱动扭矩由发动机进行响应。

在电压控制模式下，各个部件承担的功能如下：

BSG 电机：通过感应电动势，维持48 V 系统的电压；

发动机：承担驾驶员驾驶需求扭矩和BSG电机的发电扭矩需求；

DC/DC：将48 V 电压转换为12 V 电压，为车辆的低压系统供电；

约束条件：

（1）BSG电机发电扭矩在电机当前转速的许用扭矩能力范围之内；

（2）BSG电机感应电动势目标电压在DC/DC总成正常工作电压范围之内，本文中设定为36～52 V；

（4）BSG电机发电时扭矩在发动机许用最大扭矩能力范围之内；

（5）BSG电机转速低于自身最大允许转速；

（6）发动机扭矩低于自身最大许用扭矩；

（7）车速在跛行模式最大车速限制之内；

由于48 V电机调节目标电压能力较弱，为维持系统电压的稳定，在整车控制器识别到电压幅值变化较大时，限制DC/DC 的电流输出，因此对DC/DC 总成增加一条约束；

（8）DC/DC输出电流小于VCU发出的最大低压端输出电流限值；

为正常实现跛行模式下的电压控制策略，涉及各总成的扭矩、转速与电流均需满足以上约束条件。

电压控制过程由VCU主导协调控制各部件实现。

VCU 对电机的指令为电压请求指令，请求值为44 V，MCU收到指令后按公式（1）输出发电扭矩，维持电机母线电压为VCU电压请求值：

式中，为电机扭矩； 为VCU 的电压请求值；为电机当前母线电压值；k，m 为系数，具体值可通过台架标定确定。

VCU对发动机的指令为扭矩请求指令：

式中，为发动机扭矩；为驾驶员需求扭矩；为电机扭矩。

通过以上策略，实现在维持母线电压稳定的同时，响应驾驶员扭矩需求以正常驱动车辆行驶。

3.1 48 V系统上电前电压控制策略激活

图2 所示为48 V 系统上电前电压控制策略激活流程。

图2 48 V上电前电压控制策略激活流程

48 V 系统未上电时，此时电池出现严重故障，且发动机、BSG电机、DC/DC 总成未出现不能运行故障，激活电压控制策略。

VCU 判断满足激活条件后控制起动机起动发动机，发动机起动成功并进入怠速状态后，将发动机转速调节至目标转速，在车辆驱动时VCU控制发动机响应驾驶员需求的同时，承担BSG电机维持系统目标电压所消耗的功率的任务，此时DC/DC能够维持车辆低压系统的正常供电。

3.2 48 V系统上电后电压控制策略激活

图3 所示为48 V 系统上电后电压控制策略激活流程。

图3 48 V系统上电后电压控制策略激活流程

VCU 判断满足激活条件后判断发动机状态与48 V 系统状态，保证发动机运行并且48 V 系统完成下电，之后控制流程与图2所述一致。

电压控制策略激活完成后，整个系统能够正常运行，保证用户跛行回家的需求。

3.3 电压控制策略退出

图4所示为48V系统电压控制策略退出流程。

图4 电压控制策略退出流程

当VCU检测到钥匙门下电，或相关总成出现故障时，退出电压控制模式，控制DC/DC、BSG 电机、发动机停止工作，并对48 V系统进行快速放电。

48 V系统完成快速放电后，电压控制模式退出完成。

4 48V系统电压控制策略测试与验证

为验证本文中提出的电压控制策略的有效性，选取某个自主品牌的48 V车型，通过注入电池的严重故障，在不同车速和不同用电工况条件下对控制策略进行了试验，试验结果如表1所示，

电压控制的目标为维持电机母线电压的稳定，通过DC/DC 满足低压负载的用电需求。如表1所示，在不同车速和较为剧烈的低压用电条件下，电压维持在正常范围内，电压控制模式可以持续稳定工作。

表1 不同车速和不同工况条件试验结果

下面选取3 组数据，对上述的电压控制策略的进入、控制及退出过程进行分析。

图5 为48 V 系统上电前电池故障激活电压控制过程，在48 V 系统上电前注入电池严重故障，上电后VCU 控制起动机起动发动机，电机进入电压控制模式，发动机起机完成后带动电机通过感应电动势控制系统电压维持在44 V。在第200～350 s的车辆行驶过程中通过快速打方向盘、打开空调、雨刮与收音机模拟剧烈用电工况，电压依然可以维持在合理范围内，车辆能够稳定响应驾驶员需求持续行驶。

图5 48 V系统上电前电池故障激活电压控制过程

图6中，48 V系统上电后，在第35 s时注入电池严重故障激活电压控制策略，整车控制器控制电池继电器断开，BSG电机退出扭矩控制模式并进入电压控制模式维持母线电压稳定在44 V附近，48 V系统由正常工作模式顺利切入电压控制跛行模式。

图6 48 V上电后电池故障激活电压控制过程

图7为48 V上电后电池故障激活电压控制过程，当满足电压控制模式退出条件时，VCU控制DC/DC总成停止工作，BSG 电机退出电压控制模式，并完成放电，电压控制模式顺利退出。

图7 48 V系统电压控制模式退出过程

5 结论

本文针对48 V 混合动力系统提出了一种跛行模式电压控制策略，在满足约束条件下，利用BSG电机感应电动势维持系统电压，通过DC/DC向车辆低压系统供电，而发动机则负责承担驾驶员驾驶需求扭矩和电机发电的功率消耗，能够维持车辆长时间的跛行行驶。

本文还对提出的电压控制方法进行了实车验证，试验表明，车辆能够顺利按照策略进入和退出电压控制模式，即使在剧烈用电工况下，依然能够维持系统电压在正常范围之内，控制效果良好，保证了车辆的跛行行驶功能。