第4期（总第225期) 2016年8月车用发动机 VEHICLE ENGINE
No. 4(Serial No. 225)
Aug. 2016
48V BSG混合动力系统控制策略开发及试验研究
刘巨江，何宇，连学通
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州
511434)
摘要：传统内燃机结合48V BSG电机的弱混合动力系统是应对未来油耗法规的一种高性价比方案，其节油效 果明显、成本低、开发难度小。为研究48V BSG混合动力系统对于现有车辆性能的改善效果，对一台量产SUV进 行了改造，在原有的发动机上加装了 48V BSG电机系统，实现了加速助力、能量回收、发动机高速起动等混合动力 功能。在该车上，对上述混合动力功能的控制策略进行了研究与优化，并进行试验验证。改造前后的NEDC循环 测试表明，该系统能够降低燃油消耗9.1%、THC排放34. 3%、NMHC排放35.4% iNCX排放60. 6%，并能大幅降 低车辆起动的振动噪声水平，提升车辆动力性。
关键词：混合动力系统；BSG;控制策略
DOI： 10. 3969/j. issn. 1001-2222. 2016. 04. 008
中图分类号：U464. 142
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2016)04-0044-07
混合动力技术是未来汽车实现节能减排的关 键，但目前常见的混合动力汽车都存在着节油率和 经济性的矛盾。弱混技术的优点是起停技术成本 低、开发周期短，但其节油潜力有限，节油率为5%? 7%;强混技术能够将整车油耗降低25%以上，但是 成本高、系统复杂、量产难度大，短时间内无法大规 模推广[1_3]。因此，寻找一种能够有效折中节油率和 经济性的混合动力方案显得尤为重要。提高汽车电 气系统的电压水平，能够大幅提高弱混方案中电机、 电池等部件的能力和效率，从而进一步降低油 耗[4_5]。最近，博世、大陆、法雷奥等供应商提出了一 种带有 BSG 电机（Belt-driven Started Generator)的 48V弱混系统[6_7]，发动机可实现高转速起停，并具 有短时加速助力和制动能量回收功能。该系统可降
低整车油耗10%?15%，并优化驾驶性和车辆 NVH性，而成本增加在6 000元以内[8]，且开发难 度低，是一种很有前景的方案。
本研究在一台加装了 48V BSG系统的主流 SUV上对混合动力系统的控制策略进行优化，并通 过试验验证该系统对整车油耗、驾驶性和NVH性 能的优化效果。
SUV(后文中简称48V车），其原型车为2012年量 产的畅销车型(后文中简称原型车）。原型车车辆参 数见表1。
表1
整车质量/kg驱动形式排量/L进气方式最大功率/kW
最大功率转速/r ? min_1最大扭矩/N ? m最大扭矩转速/r ? min_1
100 km燃油消耗量/L
原型车技术参数
1 500
两驱，前置前驱
1.8
涡轮增压
1305 5002301 500?5 500
8.2
排放水平国V
从表1中可以看到，原型车整车质量1 500 kg， NEDC循环测试100 km燃油消耗量8.2 L，排放满 足国V要求，属于目前乘用车市场中的主流水平，具 有研究的典型性。
以该原型车为基础所改装的48V车混合动力 系统构造见图1，BSG电机与发动机用皮带连接，实 现发动机起动、助力和能量回收的功能，并集成了逆 变器;48V锂离子电池用于直接驱动电机工作或者 储存电机回收的电能；能量转换器DC/DC用于在 新增的48V电网和原车12 V电网间进行电能转
1 48VBSG混合动力系统
本研究对象为一辆加装了 48V BSG系统的
收稿日期：2015-09-06;修回日期：2016-04-01
作者简介：刘巨江（1982—），男，硕士，工程师，主要从事发动机整机开发和发动机控制策略研究；liujj@gad.cn。
2016年8月刘巨江，等：48VBSG混合动力系统控制策略开发及试验研究? 45 ?
换，平衡电池电量。
能量
转换器
DC/DC
12 V电
池
V电网
图1 48V BSG混合动力系统结构示意
BSG电机、DC/DC转换器、48V电池是48V BSG系统中的三大主要部件，其参数见表2。
表2 48VBSG系统主要部件参数
持续功率/kW3?8峰值功率/kW12. 5峰值功率持续时间/s
20
BSG电机
最大扭矩/N ? m
55效率/?控制方式扭矩控制最大功率/kW
2.5(14.5 V)
DC/DC 转 换器
96(500 W)效率/?.5(2 500 W)
峰值充电功率/kW
1148V电池
峰值放电功率/kW
8容量/Wh
320可以看到，BSG电机具备大幅提升动力输出的 能力，但是持续时间有限；DC/DC能够高效地进行 能量转换;48V电池的峰值放电功率虽然低于BSG 电机的最大功率，但在车辆加速过程中电机转速低，
能够发挥出最大扭矩。而在能量回收时，11 kW的 峰值充电功率保证了机械能一电能的转换率。
结合上述部件，该48V车可实现如下功能：
a) 加速助力；b) 发动机起停；c) 发动机高速起动；d) 制动能量回收。
其中，加速助力和发动机高速起动两项功能的 实现需要根据零部件的特性对控制策略进行详细 优化。
2加速助力控制策略
加速助力是BSG电机的重要功能。传统发动
机在低速段(怠速转速到2 000 r/min这个区间）扭 矩低、响应滞后，使得车辆加速性能受限。而电机低 速扭矩大，响应快，能够较好弥补发动机的缺陷。
对于48V车而言，其助力效果主要受以下几个
因素影响：
1) 电机的工作特性。BSG电机的扭矩-转速特
性曲线决定了当前转速下能够获得的最大扭矩。2) 电池的荷电状态（SOC)。为了保持48V池维持正常的荷电状态，不能过度放电，单次助力的 时间不能超过20 s。
因此，需要对车辆加速过程中发动机扭矩和电 机扭矩进行合理分配。
图2示出48V系统的总扭矩需求计算过程。 根据驾驶员踩踏板的深度I，结合当前发动机转速 ^、车速w，判断出驾驶员的加速需求，查表得到对 应的车辆加速度值;再根据车辆动力学模型计算出 相应的总扭矩值M。
图2车辆总扭矩计算
由于发动机较电机响应性差，在分配扭矩时应
优先考虑发动机扭矩需求的平顺性，其逻辑见图3。
由
转池 速状
总扭矩M
__^ r 态、r__发动机扭矩 Me
1发动机需求扭矩Mpn
需求MAP
低通滤波-电机需求扭矩mBS(；
图3扭矩分配计算
在图3中，对于给定的总扭矩M，先根据发动 机转速以及当前电池状态查表得到发动机扭矩，其
原则是尽量利用BSG补充的扭矩使得发动机在过 渡过程中的扭矩输出变化平缓，兼顾整车的动力性 和经济性。
实际应用时，考虑到该值仍然可能出现不连续 的情况，需要对其进行滤波，得到平顺的发动机扭矩 需求曲线M6n。而用总扭矩M减去发动机需求扭 矩Men就得到BSG电机的需求扭矩MBSG。
对于发动机需求扭矩M6n，其实现的算法如下：
■combustion=
Men +
MfHction +
电 ? 46 ?
车用发动机2016年第4期
^^acc I ^^adaption I ^^res 〇
式中 ? ^^combustion 为发动机燃烧扭矩；Mfri_n为摩擦扭 矩；Ma。。为发动机附件扭矩；^^adaption 发动机自适应 补偿扭矩；Mrcs为发动机预留扭矩。
如上式所示，要得到值为M6n的发动机输出扭 矩，需要的实际发动机燃烧扭矩应考虑摩擦扭矩、附 件扭矩(空调、油泵、水泵等）、自适应补偿扭矩以及 预留的扭矩。
摩擦扭矩主要根据水温、转速、负荷标定，附件 扭矩根据各部件的特性参数进行标定，自适应补偿 扭矩根据发动机实际转速与目标转速的差值进行积 分、滤波后得到，预留扭矩根据发动机水温、转速、负 荷、车速、挡位、SOC状态确定。
实际执行的过程中，以发动机气路作为主要的 扭矩实现手段，而火路则负责对最终的燃烧扭矩进 行微调。
3发动机高速起动控制策略
48V车由于BSG电机的加入，能够实现两种方
式的发动机起动，一种是原有的起动机拖动起动，即
普通起动，另一^种是利用BSG电机拖动发动机起 动。由于BSG电机扭矩大、转速高，能够将发动机 拖动至1 〇〇〇 r/min左右再进行喷油、点火，即可实 现高速起动。
高速起动具有较好的NVH性，但是需要满足 一定的应用条件，主要包括：1) 电池SOC值大于电机起动阈值；
2) 电池可输出功率大于一定值；3) 电池温度大于一定值；
4) 电机当前最大可输出扭矩大于一定值；5) 发动机水温大于一定值；6) 电机/电池无故障。
由于这种高速起动方式改变了发动机的起动工 况，需要对发动机的起动控制策略进行调整，以实现 经济性、排放性的优化。
3. 1起动过程结束点的识别策略
在发动机的起动控制中，起动过程结束意味着 发动机进入了自稳定的燃烧状态，为进入怠速、加速 等工况做好了准备，同时，其结束的时间点也为后续 的催化剂加热控制、氧闭环控制、空调控制等操作提 供了时间参考。
常规起动往往是以转速超过某值（约 500 r/min)作为起动结束的标志，但对于BSG起动 方式来说，当发动机转速超过该值时可能发动机并
未着火，从而不能单纯以转速作为起动结束与否的 判断依据。
考虑到发动机着火时，转速仍然有一定程度的 上升，因此采用喷油次数结合转速变化率进行判断：
(
inject
^^\(乙engine )
< Andfte
式中：iVinj6rt为喷油次数；iVinj为喷油次数阈值；72为
发动机转速；发动机转动一个segment对应的
角度；A为发动机在一个segment内转速变化的参 考值，大于等于〇。
当发动机喷油次数大于等于iVinj，iVinj为起动时 发动机水温的函数，且转速变化率不小于A时，认 为发动机起动结束。
3.2起动过程的喷油策略
由于油膜的存在，PFI发动机起动时需要进行 加浓，在控制策略中，该过程通过在基础喷油量上乘 以加浓系数Finj实现。加浓系数Finj主要通过发动 机水温、进气温度、停机时间进行标定，并利用喷油 次数、转速进行衰减。
相对于常规起动，BSG起动有着更高的起动转 速，特别是前4次喷油(对于4缸机），常规起动的衰减转速是200?300 r/min，而BSG起动的衰减转速输入是1 〇〇〇 r/min左右，故如果按照原喷油逻辑及 标定数据，BSG起动的喷油量会比形成油膜所需要 的少，故需要对原有的数据进行重新标定。3.3起动过程的进气量与点火控制策略
BSG起动起始点转速在1 000 r/min左右，此 时进气压力已经接近怠速工况下的压力值，如果保 持原起动过程的节气门开度，则会出现进气量过少 甚至发动机转速下降的情况，故需要对起动过程的节气门开度数据进行标定。相应地，由于进气量的 减少，为了保持充足的起动扭矩，需要大幅提前点火角。
在喷油、点火、节气门的重新标定过程中，以发 动机无失火、上冲转速最大值位于1 300? 1 400 r/min之间、起动过程最小空燃比位于0. 8? 〇. 9之间、tip-in过程平滑作为通过条件。
4 48VBSG混合动力系统试验测试与分析以未改装的原型车为参照，从油耗、驾驶性、
NVH性及排放四方面来对48V BSG系统的优化 效果进行验证和分析。
4. 1燃油经济性测试及分析
为了验证48V BSG系统的节油效果，分别用原
2016年8月刘巨江，等
：48VBSG混合动力系统控制策略开发及试验研究
? 47 ?
型车和48V车进行多次NEDC循环测试，对于48V BSG系统，需保持测试前后48V电池电量相差在 3%以内。图4示出NEDC测试循环中原型车和 48V车的累计C〇2排放量变化曲线，可以看到，原 型车总的C02排放量为2 136. 5 g，折算后的 100 km燃油消耗量为8. 2 L;48V车总的C02排放 量为1 942.7 g，较原型车减少193. 8 g，折算后的 100 km燃油消耗量为7. 4 L，相对于原型车油耗降 低了 9.1%。
图4 NEDC测试C02排放累计量对比
4. 1. 1
起停功能减少的C02排放量计算
NEDC循环中有较多的怠速工况，起停功能能 够减少该工况下的油耗。图5示出两种车型在 NEDC循环中的C〇2瞬时值，可以看到在虚线所示 的停机区间内，48V车的C〇2排放瞬时值基本为0, 而原型车的C〇2排放瞬时值维持在0. 6?0. 7 g/s， 在该区间对两者的差值进行积分就得到由于该次停
机所带来的C02排放减少量，如图中网格面积所 示。对整个测试过程的停机过程进行上述操作，得 到如图6所示的C02排放减少量。
图5 C02排放瞬时量差异计算
从图6中可以看出，在测试初期，虽然有停车的 工况，但是由于达不到停机条件，48V系统未触发 停机，之后的每次停车都能触发停机。整个测试过
程减少的C02排放共105. 8 g，折算后的油耗减少 4.9%。
120
105.8 g
nHlH160
14§200H80二
I
lfH20
I
铟卅
0 200 400 600 800 1 000 1 200
时间f/s
图6停机过程的C02排放差异量累计计算
4. 1. 2
工况点优化减少的C02量计算
从图7可以看到，整个测试过程在加速工况中减 少的C02排放量一共80.1 g，折算后的油耗减少
3.7%。
116140
12080000640200
&D/I
￥l4f4崎I
8铟0603
^
40200
卅
0
200
400
600
800
1 000 1 200
时间f/s
图7加速过程的C02排放差异量累计计算4. 1.3能量回收过程分析
由于48V电池在测试前后需保持电量一致，所 以需对整个测试过程的能量回收情况进行分析。
从图8可以看到，加速时BSG进行助力，电池 电量急剧下降(如右边虚线圈所示），减速时电池电 量快速上升(如左边虚线圈所示），说明BSG电机正 利用车辆的动能为电池充电。测试过程初始电量为 47. 5%，结束电量为45. 5%，电池电量下降了 2%， 可认为电池电量保持平衡。
图8 48 V电池电量变化曲线
? 48 ?
车用发动机2016年第4期
总的来说，起停功能和加速助力功能贡献了绝 大部分的油耗减少量（8. 6%)，同时，该系统利用能 量回收功能，能够保持测试前后电量平衡。4.2加速性能测试及分析
BSG电机的加速助力不仅仅能够降低加速工 况的油耗，同时能够提高车辆的加速性能。对于 48V车，其加速性能的改善主要体现在高挡位加速 的工况(该车型为手动变速箱，在一挡、二挡时BSG 电机尚未发挥最大扭矩即需要换挡，加速性能的提 升不明显），测试中主要模拟三挡/四挡超车加速的 工况。
图9示出原型车和48V车在三挡时从40 km/h 加速到60 km/h所消耗的时间，两者都是全油门状 态，原型车耗时4. 9 s，48V车耗时3. 7 s，缩短 了 1. 2 s0
I
lfI
铟卅
3.7
4.9
时间/s
图9三挡时从40 km/h到60 km/h的加速过程
图10示出原型车和48V车在四挡时从 60 km/h加速到90 km/h所消耗的时间，两者都是 全油门状态，原型车耗时13. 1 s，48V车耗时 11. 1 s，缩短了 2 s。
10)c9o
,c87o65
oI—4fo3S 32
\铟1卅
cc-c
11.1 13.1
时间/s
图10 四挡时从60 km/h到90 km/h的加速过程
可以看到，BSG电机能够在高挡位加速过程中 发挥较为明显的作用，提高了高车速下加速过程的 驾驶乐趣。
4.3起动过程振动噪声测试及分析
相对于原型起动机，BSG电机扭矩大、转速高，
能够非常平稳地将发动机转速提咼到1 〇〇〇 r/min 左右，缩短起动时间并提升起动过程的NVH性。 图11示出普通起动及高速起动的过程对比。原型
车起动时须先由起动机拖动到200?300 r/min，在 该转速下进行同步、喷油、点火，着火后转速急剧上 升至1 400 r/min左右。由于转速低，同步过程慢， 各缸的喷油、点火时间间隔大，出现了约0. 5 s时长 的转速平台，导致整个起动过程耗时较长，且起动机 与发动机通过齿盘传动，转动过程噪声较大。
图11普通起动及髙速起动的过程对比
利用BSG电机起动时，能够直接将发动机拖动 至1 000 r/min左右，这个转速下，发动机从同步到
着火需要的时间非常短，使得发动机转速能够继续 平滑上升，基本没有低转速起动时出现的转速平台， 所以较原型车起动达到起动转速峰值的时间缩短了 0.5 s，极大地提高了起动速度，同时，由于BSG电 机与发动机使用皮带传动，起动噪声很小。
图12示出使用两种不同的起动方式时，驾驶舱 内人员接收到的噪声水平对比，可以看到，使用 BSG电机进行高速起动能够将驾驶员右耳接收到 的起动噪声最大峰值从57 dB降低到52. 7 dB，将右 后乘员的左耳接收到的起动噪声最大峰值从 57. 7 dB降低到 52.8 dB。
65「
_
驾驶员右耳□右后乘员左耳
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瞍#50假
45
40 L
原型车48V车
原型车48V车
车型
图12普通起动及高速起动的噪声水平对比