周权 闫剑韬 唐广辉 卢银 卢国华
摘 要：对目前常见的汽车混合动力系统进行了简介。描述了一种48V混合动力车型开发过程中通过优化改善发动机与BSG电机的控制，在怠速（或低速行驶）且大功率用电工况、ABS工况以及急加速工况下存在问题的解决。为达到预期的设计效果及性能目标，需注重发动机控制系统与BSG电机控制系统的协同匹配。对于后续深度混合动力系统的开发具有很好的积累及推进作用。
关键词：48V轻混 发动机 BSG电机 控制优化
1 混合动力汽车简介
混合动力汽车（Hybrid Vehicle）是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供[1]。
车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。根据在混合动力系统中混合度（电机功率/总功率）的不同，混合动力系统可以分为以下三类：
1、微混合动力系统。依靠大容量12V蓄电池提供能源实现自动启停，混合度约5%。
2、轻中度混合动力系统。（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行回收;（2）在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足及响应滞后，从而更好的提高整车的性能。混合度可以达到30%左右。
3、完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力可以纯电动方式行驶一定的里程（如五、六十公里），系统的混合度可以达到甚至超过50%。相关技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向[2]。
2 48V轻混车型混动系统架构
该混合动力车型为轻混系统，P0结构，48V BSG（Belt-driven starter/generator） 启停/发电机通过皮带轮与汽油机曲轴带轮相连（如图1）。BSG电机发电48V经由DCDC模块送至48V储能锂电池，锂电池经DCDC可释放电量给12V电瓶及车用电器（如图2）。根据实际运行工况，BSG电机可以进行助力或是能量回收。
3 混动系统发动机与电机控制优化
在某BSG混动车型开发过程中，对以下工况进行了发动机及电机控制的优化。
1）48V系统充电方案改进：
试验问题发现：开发汽油机+48V BSG电机混合动力车型，怠速验证BSG电机充电能力。当12V及48V电池电量处于接近其最低值的初始状态，且整车大负载用电（开空调、开前后雨刮、开大灯、打双闪、开后窗加热、升降玻璃等）测试过程发现以下问题：1）怠速80分钟以后，出现48V系统故障报警，即48V系统无法给12V蓄电池充电，继续怠速（行车）将干耗12V蓄电池电量，最终12V蓄电池电压过低，无法维持整车电器工作（如发动机点火线圈）发动机自行熄火。2）怠速过程中整车有间歇性的高频抖动、颤动。
原因分析：1）低怠速时，发动机转速约为780RPM，通过皮带（传动比1：2.5）与之相连的电机转速约为1950RPM，在大负载用电状态下，BSG电机处于低转速高负荷发电，电机温度很快上升到100%额定温度，为保护电机而进入降额发电模式，电机的发电效率较低，散热也不佳，此时48V系统电量补充小于消耗，也无法给12V蓄电池补充电量，导致12V蓄电池电量逐渐减少，最终出现低电压报警。2）电机处于100%额定工作温度时，电机发给汽油机响应的短时预测扭矩波动大，造成发动机转速波动。
控制方案改进实施：1）修改ECM（发动机管理系统）标定控制参数，当48V电池电量低于20%时，提高发动机（怠速或行车）转速至1400RPM，此时与之相连的BSG电机转速可达3500RPM，发电功率及发电效率均提高（U=E=Cφn，当发电机的转速升高时，减小来源于12V蓄电池的定子磁场电流，减小了电流损耗及发热量，以减弱磁通φ，使φn基本保持不变，从而维持输出端的电压不变），此时电机本身的散热也更好。确保在怠速或行车大用电量的同时，48V系统电量能较快的提升起来（电量高于30%后，发动机恢复低怠速），避免48V锂电池及12V蓄电池馈电导致停机趴窝的风险，且延长电池使用寿命。
2）优化BSG电机控制，在电机接近100%额定温度时，提高了温度信号采样的频率（根据香农采样定理，采样频率为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。fs≥2f max），并加入适当的滤波器，平滑Derating（降额）曲线，减小了模块过温Derating的起始温度值由152摄氏度至132摄氏度。从而减小高温时电机控制模块对电机扭矩能力估算值的波动以及变化率，减小了此工况下汽油机扭矩/转速波动带来的抖动，在同为温度达到额定100%的情况下，发动机转速波动幅度由66rpm/sec降低为12rpm/sec，很好地提升了车辆NVH。
整个过程48V锂电池电量没有低于18%，12V蓄电池电量均在40%以上，没有出现深度放电的情况，48V实际电量较好地跟随目标电量，没有出现过大偏差（见图3），48V、12V系统没有馈电的风险。
2）急加速工况与ABS工况下BSG电机定子过流问题解决
試验过程当车辆以60至80km/H的速度急刹车（ABS介入）或全油门一挡至三挡急加速过程中出现BSG电机定子过流故障（P1B25）。
分析为引发BSG电机过流故障原因为当汽油机转速变化率（增大或减小）过高，与之同步皮带相连（速比2.5）的电机表现也类似，电机失速（即由于外界影响，超出电机本身自己的速度控制范围），最终发生过流故障。此工况下的转速变化率很大（见图4），发动机及电机控制的解决方案主要如下：
a）在ABS工况（高转速变化率）下， 提高电机控制稳定性。
b）在ABS工况（高转速变化率）下， ECM发指令电机主动退出扭矩控制模式以避免故障。
c）在急加速工况下，ECM给电机发扭矩指令降扭降梯度，电机响应速率放慢，当转速变化率高时，电机检测到即将到达额定电流（如85%以上），且有趋势继续增大，则维持已响应的扭矩，不再响应更大的扭矩（电流），直到其他条件触发电机模式的转变或转速变化率降低到一定程度电机再响应其扭矩。
电机控制程序更改了转速变化过快时Iq reference（计算参考电流）的变化速率，进一步根据转速变化速率修改了速度滤波器时间常数，当转速变化率过高时，减少时间常数（香农采样定理，同），转速变化率恢复正常后100ms即恢复初始值。以期提高此工况下的速度/角度测量精确度，同时在此工况下，根据PID调节原理（偏差控制，传递函数G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）），适当增大积分时间常数TI和微分时间常数TD，在每周期响应要求时间范围内做出更精确的响应避免过大超调量和超过额定值触发报警。当转速变化率仍过高，考虑到为已超出设计电机响应控制能力范围，且仅为少数低频次出现特殊工况，则电机退出扭矩控制功能直至转速变化率回到正常范围（10000rpm/sec）100ms之后，此时由发动机自行根据常规整车策略响应即可。
同时，当ABS工况下检测到信号ABS_active为1，发动机管理系统ECM发出给电机的响应曲线降扭矩值、降梯度。当短时间内（50ms）电机转速变化率仍过高，则ECM发指令给电机进入NEUTRAL模式（即自由旋转模式，不发电也不助力），电机退出扭矩模式（电机负扭矩时会施加阻力给发动机，通过传动系统可视同为加载在车轮上的制动力）可以减小整车制动力，由汽车理论，汽车地面制动力Fb取决于制动器制动力Fμ，同时又受到地面附着力Fφ的限制，只有当制动器制动力Fμ足够大，而且地面又能够提供足够大的附着力Fφ，才能够获得足够大的地面制动力[3]。
减小制动器制动力Fμ后，不超过地面附着状况所能支持的最大地面制动力Fb，减小急刹车时的抱死拖滑倾向，缩短制动距离，提高行驶安全性。当整车退出ABS工况时，电机再进入电压模式或扭矩模式响应发动机（ECM）相关指令。
按以上方案修改优化ECM控制程序和BSG电机控制程序在试验车急加速和急刹车（ABS工况）多次验证，无之前的P1B25故障报警出现，分析记录数据（见图5）可知当整车ABS功能激活（图5中曲线6，ABS_Active值为1）时，电机扭矩（能量回馈，负扭矩，图5中曲线4，Scu_Estimated_Torque）响应控制无大幅突变，电机转速波动幅度在4000rpm/sec以内（图5中曲线1），随着电机转速变化率进一步增大超过10000rpm/sec，电机退出了扭矩模式进入NEUTRAL（图5中曲线3，SCU_MM_STATUS）模式。当整车退出ABS工况后，电机随后紧接着恢复为扭矩模式，且扭矩响应无突变，整个过程电机定子过流（图5中曲线5，SCU_Stator_overcurrent）均为no fault（无报错）状态。急加速时电机扭矩（助力，正扭矩）响应也无短时大幅突变过流的现象，该问题得到了很好解决。
4 总结展望
混合动力车型开发过程中，发动机控制管理系统（ECM），驱动电机控制系统（MCU）这两个动力源之间的匹配（动力、扭矩分配）最为关键，各工况下两者间的相互协同辅助，对于汽车在怠速、起步、加速、减速、制动等工况下的运行效率及平顺性提高具有重要作用。故需特别注重此两控制系统的信号交互及协同配合，很多问题的解决需要此两个子系统同时参与、同时优化改进。
所开发的48V轻混车型满足了公告要求，各方面达到了设计目标性能。相对无BSG系统的基础车型，燃油消耗减少12%，CO2排放减少10%，整车性能提高：低速扭矩提高26N.M，百公里加速提快1.1S。以及由此带来的起步迅速、加速较快响应等更好的驾乘平顺性。此次48V轻混合动力系统开发的技术积累及应用经验对于后续的中度混合乃至全混合动力系统开发具有很好的积累及推动作用，在汽车节能减排的大趋势下，具有重要意义。
参考文献：
[1][奧]彼得.霍夫曼（Peter Hofmann）.混合动力汽车技术[M].耿毅，耿彤.北京：机械工业出版社，2017.
[2]张先锋，杨建军，陈红涛，聂国乐.自主品牌混动总成现状及发展趋势[J].北京：汽车工艺师，2019.
[3]余志生，汽车理论（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2018.
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