基于Cruise和Simulink的某48V輕度混動(dòng)車輛仿真分析

弱混（或稱之為輕度混動(dòng)）技術(shù)（Mild Hybrid），核心包括Start-Stop（啟停）技術(shù)、BSG（Belt-drivenStarter/Generator皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)）技術(shù)，BSG技術(shù)就是利用皮帶傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)經(jīng)由皮帶傳動(dòng)在短時(shí)期內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由零上升至怠速以上，從而實(shí)現(xiàn)汽車的快速起停。

博世BRS系統(tǒng)，是一種成熟的輕度混合車輛能量回收系統(tǒng)，兩個(gè)電氣網(wǎng)（48V和14V）共存并且通過PCU轉(zhuǎn)化器相互連接（也稱為DC/DC）。通過PCU的正向及逆向工作模式，可以使得電能在48V系統(tǒng)及14V系統(tǒng)之間相互轉(zhuǎn)化。在日常行駛中，BRM回收大量制動(dòng)能量并儲(chǔ)存于48V鋰離子電池中，這些電能均可用于14V負(fù)載中。同時(shí)BRM也可以當(dāng)做電動(dòng)機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，可以再節(jié)省燃油的同時(shí)改善駕駛性。

1 P0結(jié)構(gòu)48V-iBSG系統(tǒng)混動(dòng)車型

1.1 P0結(jié)構(gòu)

目前主流混動(dòng)技術(shù)方案中根據(jù)電機(jī)位置的不同，分為P0、P1、P2、P3、P4，不同方案在成本、布置、性能方面各具優(yōu)缺點(diǎn)。P0結(jié)構(gòu)即是將電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，P0結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是，擁有皮帶傳動(dòng)起動(dòng)和發(fā)電一體的電機(jī)，利用高性能蓄電池，完成紅綠燈發(fā)動(dòng)機(jī)起停，并允許帶動(dòng)空調(diào)機(jī)械壓縮機(jī)，主要用于12-25V微混合或48V弱混，但因?yàn)槭瞧ЫY(jié)構(gòu)，屬于軟性連接，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)能能量回收效率受到一定限制。

1.2 48V-iBSG系統(tǒng)架構(gòu)

48V-iBSG輕度混動(dòng)系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾大功能，分別是啟停、制動(dòng)能量回收、轉(zhuǎn)矩助力、滑行、換擋策略優(yōu)化。細(xì)化為即采用BSG的舒適啟動(dòng)/啟停、給12V電路供電、給48V部件供電、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火滑行、制動(dòng)/滑行能量回收、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移、助力、電動(dòng)爬行/駕駛、用傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)作為備用啟動(dòng)（48V電源支持）等，節(jié)油率約8%-16%。

1.3 48V-iBSG混動(dòng)汽車主要四種工況

1.3.1 起動(dòng)工況

起動(dòng)時(shí)，48V-iBSG電機(jī)在幾百毫秒時(shí)間內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速以上，然后汽油機(jī)才開始工作。

1.3.2 停車工況

當(dāng)汽車在等紅燈或者短暫/長時(shí)間停車時(shí)，只要滿足一定條件，控制系統(tǒng)切斷汽油機(jī)供油，自動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)和48V-iBSG電機(jī)停止工作，節(jié)省燃油的同時(shí)減少廢氣排放。需要起步時(shí)，則進(jìn)入起動(dòng)工況，由48V-iBSG電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.3.3 減速工況

駕駛員在汽車行駛過程中松開加速踏板/踩下制動(dòng)踏板，滿足一定條件時(shí)，48V-iBSG電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，回收部分制動(dòng)能量儲(chǔ)存在蓄電池中。

1.3.4 正常行駛工況

如果電池電量足夠，全油門加速時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)全油門工作的同時(shí)48V-iBSG給發(fā)動(dòng)機(jī)一定助力。一般油門行駛時(shí)，整車控制器按照實(shí)際扭矩需求情況可能會(huì)向電機(jī)傳送信號(hào)給于發(fā)動(dòng)機(jī)一定助力，優(yōu)化調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，節(jié)省油耗。若果電池電量不足，則由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作，如果電池電量過低時(shí)，則由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，由48V-iBSG電機(jī)發(fā)電為電池充電。

2 整車參數(shù)及模型建立

2.1 整車參數(shù)

本文對(duì)某FF 5MT配4A91S（1.5L）發(fā)動(dòng)機(jī)車型整車建模，車輛基本參數(shù)、變速器及傳動(dòng)比、電池參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

2.2 模型建立

圖1 48V混動(dòng)車Cruise數(shù)據(jù)模型

圖2 電池參數(shù)設(shè)置

搭建Cruise整車數(shù)據(jù)模型和48V混動(dòng)車的Cruise數(shù)據(jù)模型，用于模型之間的對(duì)標(biāo)分析，5MT_48V輕混模型如圖1所示，電池參數(shù)設(shè)置如圖2，電機(jī)參數(shù)設(shè)置如圖3所示。因?yàn)樵贑ruise無法模擬皮帶，以減速器模型代替皮帶模型，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接皮帶參數(shù)設(shè)置為，傳動(dòng)比2.7，皮帶效率取0.9。

圖3 電機(jī)參數(shù)設(shè)置

3 Matlab控制模型建立

3.1 控制策略介紹

3.1.1 能量回收

在制動(dòng)工況中電動(dòng)機(jī)變換為發(fā)電機(jī)，把部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可利用的電能進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在750-6000rpm范圍內(nèi)，進(jìn)行制動(dòng)能量回收。當(dāng)電池SOC值大于85%時(shí)，制動(dòng)能量不予回收。制動(dòng)踏板開度大于5%時(shí)候，制動(dòng)能量回收，小于2%時(shí)候制動(dòng)能量回收。

3.1.2 扭矩分配

電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作，駕駛員扭矩需求將由電機(jī)分擔(dān)一部分，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載。油門踏板開度大于25%時(shí)電動(dòng)機(jī)允許輸出扭矩。電池SOC超過60.5%時(shí)允許扭矩分配低于59.5%時(shí)不允許扭矩分配。當(dāng)車速超過51.5km/h時(shí)，扭矩分配，車速低于49km/h時(shí)不進(jìn)行扭矩分配。當(dāng)車輛加速度超過0.25m/s2允許扭矩分配，低于0.15m/s2不允許扭矩分配。

3.1.3 助力

當(dāng)驅(qū)動(dòng)需求扭矩大于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，不足扭矩由電機(jī)提供。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在600-3400rpm范圍內(nèi)允許助力。電池SOC大于36%允許助力。

3.1.4 電爬行

在限定車速內(nèi)，車輛由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)將不會(huì)輸出扭矩。當(dāng)SOC小于40%時(shí)，電爬行被禁用。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫大于40℃，電爬行被禁用。

3.1.5 發(fā)動(dòng)機(jī)高級(jí)啟停

發(fā)動(dòng)機(jī)在車速不為零時(shí)暫停工作。電機(jī)以更短的時(shí)間和更小的噪音震動(dòng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。車速門限值為12km/h。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫小于20℃時(shí)，啟停功能被禁用。SOC在30%-80%允許啟停功能使用。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于500rpm，準(zhǔn)許啟停功能工作。

3.1.6 發(fā)電機(jī)模式

電機(jī)在發(fā)電機(jī)模式下，對(duì)48V蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行制動(dòng)能量回收，電機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工作，執(zhí)行充電行為。當(dāng)電池SOC值小于控制系統(tǒng)限定參數(shù)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出部分扭矩驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，執(zhí)行充電行為。

3.2 控制策略模型建立

Simulink信號(hào)輸入模塊建立的參數(shù)需要與Cruise模型中API建立的Inport數(shù)據(jù)一致，為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。功能控制模塊根據(jù)實(shí)際車輛獲取的狀態(tài)信息判定車輛所處的工況，判定后傳遞相應(yīng)信號(hào)至功能模塊。各個(gè)功能模塊由兩部分組成，為控制部分和輸出部分，控制部分主要是判定當(dāng)前實(shí)車工作目標(biāo)信號(hào)，輸出部分主要是傳遞目標(biāo)信號(hào)至仿真軟件。信號(hào)輸出模塊是將各個(gè)功能模塊的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)通過信號(hào)輸出模塊傳遞至Cruise中去控制Cruise各個(gè)部件工作。Simulink建立控制策略模型在總體上是根據(jù)博世的BRS策略來建立，其中電動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)模式，扭矩分配模式選擇模型設(shè)計(jì)如圖所示4。

圖5 模式選擇控制策略

4 聯(lián)合仿真分析

本方案基于Cruise整車數(shù)據(jù)模型和48V混動(dòng)車的Cruise數(shù)據(jù)模型，建立Simulink控制策略，然后進(jìn)行聯(lián)合仿真和結(jié)果對(duì)比。根據(jù)主機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)，參照OEM換擋策略，重新設(shè)計(jì)新的MT車型換擋點(diǎn)，新舊換擋策略分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 新?lián)Q擋策略分析結(jié)果

針對(duì)5MT和5MT_48V輕混方案車型的動(dòng)力性進(jìn)行計(jì)算任務(wù)設(shè)置，仿真結(jié)果如表2所示，針對(duì)5MT和5MT_48V輕混方案車型的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行NEDC循環(huán)工況計(jì)算任務(wù)設(shè)置，仿真結(jié)果如表3所示。

表2 動(dòng)力性及電池SOC值分析結(jié)果

表3 燃油經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)實(shí)車油耗測試，不帶BRS策略的原車NEDC工況試驗(yàn)油耗為6.16L/100km和6.20L/100km，帶BRS控制策略的NEDC工況試驗(yàn)油耗結(jié)果為5.54L/100km和5.56/100km，BRS控制策略節(jié)約10.2%。

由仿真分析結(jié)果得出，5MT_48V輕度混動(dòng)車型動(dòng)力性優(yōu)于5MT傳統(tǒng)車型；經(jīng)濟(jì)性方面，根據(jù)NEDC工況原換擋策略，得出5MT_48V輕度混動(dòng)車型油耗相對(duì)于傳統(tǒng)車型節(jié)油約9.8%。根據(jù)NEDC工況優(yōu)化的新?lián)Q擋策略，得出5MT_48V輕度混動(dòng)車型油耗相對(duì)于傳統(tǒng)車型節(jié)油約14.9%。

由以上的結(jié)果對(duì)比可知，Cruise仿真分析結(jié)果與實(shí)車測試結(jié)果非常接近，并且節(jié)油率均超過10%，證明本設(shè)計(jì)方案達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

審核編輯：湯梓紅