基于Simulink-Cruise的微混系统控制策略研究

0 引言

随着新能源汽车技术的不断发展，48V 微混系统作为一种低成本、高节油性的系统，日益受到关注。48V系统在原有12V系统上并联48V系统，提升电能储存和驱动能力。48V系统作为整车架构的第二条电压等级较高的电源线，用来驱动较高功率需求的电器附件，在不影响原车电器线路的基础上，提高整车附件电气化，降低整车油耗。随着油耗法规的不断升级，48V微混系统在整车节能方面具备较为明显的优势，被认为是一种较理想的降油耗技术方案。同时48V微混系统在整车动力性方面也有明显提升，提高了整车驾驶性能。

目前中国对48V微混系统的控制策略进行了相关研究。如，杨飞等对48V轻度混合动力系统控制策略的仿真研究

，利用Advisor仿真软件对比分析了NEDC测试循环下48V微混系统和12V系统的节油效果，48V微混系统在制动能量回收功能节油明显，整车油耗大幅度降低；刘巨江等对48V BSG混合动力系统控制策略开发及试验研究

，对48VBSG系统加速助力、能量回收及高速启动策略进行研究及试验，对比研究了NEDC测试循环下的燃油消耗率和排放性能。

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本文基于48V微混系统，应用Simulink软件开发全新控制策略，并结合Cruise整车仿真模型对其全新控制策略进行了仿真研究。本文对比研究了48V微混系统与12V原车系统在NEDC工况下的油耗，结果表明采用48V微混系统的节油效果明显。

1 48V微混系统

48V微混系统在整车原有12V电路基础上增加48V电池、48V启发一体机(BSG电机)以及DC/DC转换器等48V电路器件。48V系统根据其48V电机的安装位置不同可划分为P0、P1、P2、P3、P4等架构，如图1所示。

其中P1结构的48V电机布置在发动机的输出轴端，通常是通过齿轮与发动机集成，可取代传统飞轮，功能及性能与P0架构类似。P1结构的48V系统在起停和能量回收等功能上具备较好的性能，同时P1结构可支持更高的电机功率，一般可达到15 kW至30kW。

能量回收功能即当整车处于滑行状态或制动状态时，BSG电机以发电模式工作，将机械能转换为电能并传输给电池存储，实现能量回收。能量回收功能是整车实现节能减排的重要功能，48V系统能量回收能力直接影响整车的经济性。

P3结构的48V电机集成在变速箱的输出轴上，P3结构缩短了48V电机到车轮端的传动链，P3结构有效提高了纯电驱动能力，同时P3结构的能量回收效率得到大大的提高；且P3结构在变箱换挡过程中，48V电机可实现整车扭矩的补偿，减小了轮端的扭矩波动，提升了车辆舒适性和加速响应性。但P3结构无法实现起动发动机功能，不具备发动机启停功能。因此一般采用双电机，即P0+P3方案。

主动发电策略触发需满足电池电流低于设定值且系统无故障等条件。主动发电模式下BSG电机发电扭矩需求由整车需求扭矩以及发动机高效区对应扭矩共同决定。主动发电策略可将发动机工作区间尽可能的转移至高效区，提高发动机效率。

本文所研究的48V微混系统采用P0结构如图2所示

。48 V系统通过皮带与发动机前段曲轴轮系相连，本方案中传动比约为3.24，此种结构型式被称为P0架构。P0架构的48V微混系统是目前应用最广泛且成本最低的方案之一。

P4结构的48V电机集成在驱动桥上，该方案与P3结构的性能较为类似，P4结构能量回收及纯电驱动效率较高；同样的P4结构也无法实现起动发动机功能，需采用P0+P4的双电机方案。

P0架构的48V微混系统包含48V电池、DC/DC变换器和BSG电机组成。BSG电机通过逆变器与48V电池相连，48V电池和12V电池之间通过DC/DC变换器实现电压变换。

急加速助力功能即在整车突加大油门，需快速提速时，BSG电机跟发动机共同提供扭矩，增强整车动力性

。传统发动机低速突加大扭矩需求时扭矩响应慢，扭矩响应滞后问题限制了整车加速性能。48V微混系统应用的BSG电机扭矩响应快，可很好的解决因发动机扭矩响应滞后造成的加速动力不足问题。

其中BSG电机即可作为发电机发电，也可作为电动机。48V微混系统可以实现发动机的快速起停、急加速助力以及整车制动能量回收和发电等功能。48V微混系统在原有发动机结构的基础上改动相对较少，且增加成本较低，因而开发难度较小，较易控制。但P0架构的48V微混系统受限于皮带传动的连接方式，48V电机的功率等级一般较小，通常限制在10 kW～15 kW左右，因而48V电机的助力及能量回收等功能受到了较大限制，整车节油率一般在10%～12%左右。

2 48V微混系统控制策略

结合48V微混系统的部件组成，可知48V微混系统可实现发动机自动起停、急加速助力、能量回收以及主动发电等功能，本文详细研究了48V微混系统的控制策略。

2.1 发动机自动起停控制策略

发动机自动起停功能即在车辆等待红灯或中间短时间停车时，发动机呈自动关闭状态，取代原来怠速工况状态，节省发动机怠速下油耗，解决怠速工况期间的排放问题。当有行车意图时，控制器控制BSG电机自动快速启动发动机，车辆正常行驶。

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2.2 急加速助力功能控制策略

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急加速功能控制策略如表2所示。急加速策略以判断油门踏板开度变化率大于设定值为触发条件，以整车需求扭矩和发动机实际响应扭矩差为跳出条件。BSG电机补偿整车需求扭矩和发动机响应扭矩的差值。

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(7)由于进入烟气管的烟气温度相对低，而烟气管道又比较长，约64 m，矿温又不高，外排锅炉气的温度也低，因此热能利用率较高；

2.3 能量回收功能控制策略

P2结构的48V电机布置在离合器与变速箱之间。与P0、P1结构相比，P2结构可以实现48V电机与发动机的解耦。P2结构可实现纯电行驶功能，在车辆需求功率较小时，发动机停机，离合器分离，48V电机驱动整车行驶。P2结构在实现能量回收功能时，可分开离合器，不存在整车同时倒拖发动机的情况，有效提高能量回收效率。P2结构同时具备发动机快速启停功能，包含行车启停功能。

能量回收策略分为滑行能量回收和制动能量回收两种策略如表3所示。其中滑行能量回收触发需同时满足油门踏板开度为零、离合器闭合、档位不在空挡、车速大于设定值等条件，此模式下BSG电机以等功率回收能量；而制动能量回收触发需在满足滑行能量回收触发条件的基础上，同时满足制动踏板开度大于设定值等条件，此模式下BSG电机回收能量受制动踏板开度大小影响。

发动机自动关闭策略需同时满足多个条件才能触发，如油门踏板行程为零，车速为零，档位为空档，拉起手刹，且整车48V电路连通、电机电池无故障、电池SOC充足以及发动机水温大于设定值等条件。发动机快速启动策略，当发动机处于自动关闭状态时，若此时同时满足离合器打开或空挡、松开手刹并踩下制动踏板等条件时，控制器自动触发发动机启动需求，BSG电机快速拖起发动机。

2.4 主动发电功能控制策略

主动发电功能即在整车运行过程中，当电池电量低于设定值且BSG电机未处于能量回收模式时，控制器主动控制发动机部分扭矩来驱动BSG电机，BSG电机以发电模式为电池充电。主动发电模式下，发动机输出扭矩需同时满足整车扭矩需求和BSG电机发电扭矩需求。

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3 Simulink-Cruise联合仿真

本文中应用Simulink实现48V微混系统的控制策略，并将控制模型生成可用于Cruise软件的代码；应用Cruise模型搭建48V整车模型验证基于全新控制策略的48V微混系统的节油能力。

3.1 整车参数

本文研究48V微混系统基于配置2.5L柴油机的皮卡车型，具体整车参数如表4所示。

3.2 功能配置

本文基于NEDC测试循环，对不同功能配置的系统进行控制策略仿真研究。功能配置如表5所示。分别是传统12V系统(配置1)、48V系统仅带起停功能(配置2)、48V系统且带有能量回收和助力功能(配置3)以及48V系统带有起停、能量回收、急加速助力、主动发电功能(配置4)。

3.3 仿真结果分析

本文基于4种功能配置开发对应的Simulink控制模型，不同功能配置的控制策略均遵循测试循环前后电池SOC保持平衡的基本原则，电池SOC仿真基准值为60%。NEDC工况下四种不同功能配置对应仿真结果如表6所示。四种不同配置NEDC工况下的油耗曲线如图3所示。

嫁接后前三天不能通风，白天和夜间温室大棚温度分别控制在30℃和18℃以内，确保温室内相对湿度较高，一般维持在90%。遇到连续晴朗天气，在每天白天10点到下午4点需要对嫁接好的幼苗进行遮阴处理。一般采用上述方法管理3天左右，逐渐降低小拱棚内温度，增加光照小时数。一般嫁接10天左右，就可以将拱棚撤去转为正常管理[1]。

由仿真结果可知，配置1对应的传统12V系统NEDC工况油耗最高，约为0.571Kg；配置4对应的含有全部功能的48V系统NEDC工况油耗最低，约为0.507Kg，相比12V系统约节油11.25%，节油效果明显。

配置2仅带有起停功能的系统，对比配置1油耗，此配置下节油效果明显，约节油7.8%，此仿真结果较实际值偏高，由于Cruise中发动机模型自带启动发动机功能，因而此配置下启动发动机时，发动机自动启动，而不是由BSG电机拖起，并未消耗48V电能。配置3带有能量回收和助力功能的系统，此配置下相比传统12V系统约节油5.3%，效果较好。

4 结论

对比传统12V系统，48V微混系统节油效果明显，NEDC工况下约节油11.25；自动起停技术节油效果明显，约节油7.8%，虽然略高于实际工况下的节油率，但发动机启动时间短，耗电量较小，此仿真数值能够反映自动起停技术在NEDC工况下的节能潜力，然实际整车运行中自动起停技术的节能效果与整车实际工况相关。

[1]杨飞等. 48V轻度混合动力系统控制策略的仿真研究[J].内燃机工程,2017,06.

[2]刘巨江等. 48VBSG混合动力系统控制策略开发及试验研究[J].车用发动机,2016,04.

[3]赵治国等. 48V微混系统瞬时优化力矩管理策略[J]. 机电一体化, 2017,11.

[4]王震等. 48V微混系统降低油耗策略分析[J]. 汽车技术,2017,02.