48V-BSG輕混系統整車性能影響分析

黃旋

摘要： 隨著油耗、排放法規的日益嚴苛，客戶群體對于駕駛感受要求持續提升，為滿足油耗目標及優化駕駛性，傳統內燃機電動化日漸深入，而48V-BSG技術對于傳統乘用車油耗指標、排放指標、駕駛性指標改善具備較好的性價比。本文應用Cruise對某汽油發動機應用48V-BSG技術方案在某整車上進行整車性能仿真分析，研究各工況及控制策略下48V-BSG對于發動機摩擦功、整車經濟性、動力性影響，并通過性能試驗結果與仿真數據比較分析驗證性能仿真分析結果。

Abstract： With the increasingly stringent regulations on vehicle fuel consumption and emissions， the requirements of customer for driving experience continue to improve. In order to meet the fuel consumption target and optimize the drivability， the electrification of traditional internal combustion engines is deepening day by day， and 48V-BSG technology has a good cost performance for improving the fuel consumption index， emission index and drivability index of traditional passenger cars. In this paper， Cruise is applied to a gasoline engine using 48-VBSG technology to conduct vehicle performance simulation analysis on a vehicle， and the effects of 48V-BSG on engine friction work， vehicle economy and power performance under various working conditions and control strategies are studied. The results of performance simulation analysis are verified by comparison between performance test results and simulation data.

關鍵詞： 48V-BSG;CAE仿真;整車性能仿真分析;動力性;經濟性;試驗驗證

Key words： 48V-BSG;CAE simulation;simulation analysis of vehicle performance;dynamic performance;economy;experimental verification

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0053-03

0 ?引言

2020年上半年全國汽車保有量達2.7億輛，其中新能源汽車保有量達492萬輛占全球4成以上[1]。汽車保有量的快速增加帶來了環境與能源的雙重危機，世界范圍內的石化能源危機和越來越嚴苛的環保要求，汽車純電動化和混動化是實現節能減排的重要途徑[2]。2014年國家正式發布了第四階段《乘用車燃油消耗量評價方法及指標》，到2020年乘用車平均燃油消耗量降至5.0L/100km[3]，開發較低油耗和排放的車輛具有重要市場競爭力。在嚴苛排放法規要求下，通過提高發動機燃油效率以達到新的油耗排放目標具有明顯困難，而純電動化技術受制于動力電池能量密度、低溫使用環境及較高昂成本因素影響，48V-BSG（Belt-driven Srarter/Geneator皮帶傳動-啟動/發電一體化電機）混合動力系統具有安全性高、成本較低和匹配性好等優點，尤其在氣溫寒冷的北方具有很好的市場需求。

BSG輕混系統結構簡單，電池、電機均較小，在原車上無需較大改動，成本較低。將原有車內的12V供電電源調整至48V，高壓部分只負責給大負載部件供電。通過把車用設備的標準電壓提高到48V，使得它能夠帶動更大功率的車載系統，實現和車上其他系統更好的整合。當車輛在起步、短暫停車的時候，帶48V系統的動力總成可以采用純電驅動，從而避開燃油車起步時最耗油的怠速階段;可以在發動機停機的狀態下短暫接管空調，給空調壓縮機功能，避免空調一并停機。48V-BSG電機對發動機工作環境具有很明顯的優化作用，電機可以快速跨過發動機低轉速區域，提高日常駕駛感受。在48V輕混系統的輔助下，以顯著提升駕駛質感，且能顯著降低油耗和改善車輛的NVH，停機時電機會通過混動系統拖曳發動機停機，令發動機停機更快速、平穩、安靜。

本文采用Cruise和Simulink軟件建立了48V-BSG混合動力系統整車模型，研究了不同工況和控制策略下48V-BSG混合動力系統對整車發動機摩擦功、經濟性、尾氣排放及動力性等方面的影響，并與臺架試驗結果進行對比，獲得了48V-BSG混合動力系統在燃油經濟性的效果，為新車型混合動力系統的研發提供一定的指導意見。

1 ?基本參數及性能目標

目標車型主要技術方案采用5檔手動變速器，發動機采用1.5L自然吸氣發動機，布置形式為前置后驅，BSG電機選用10kW（max扭矩40N·m），電池選用10Ah鋰電池。

由于48V-BSG技術為輕度混動技術，整車性能提升目標定義相對原車提升幅度相對有限，其中動力性指標、經濟性指標提升幅度約10%。

2 ?性能仿真模型及策略建立

本文采用Cruise與SIMULINK聯合仿真，實現48VBSG發動機及整車動力性、經濟性測算模型的搭建。同時，通過SIMULINK策略的調整實現各種策略的差異對于整車性能影響分析，結合整車實際控制策略，為整車策略的選擇提供依據。

2.1 整車基礎模型搭建及模型標定

整車性能仿真分析需就原始整車模型進行搭建并完成模型標定，確?；A模型性能仿真分析結果與試驗結果相貼合。

基礎模型標定結果見表1，與試驗測試結果誤差小于5%，滿足仿真模型精度需求，可在此模型基礎上開展BSG相關模型搭建。

2.2 整車模型及控制策略搭建

整車模型在基礎模型基礎上增加電機模型、電機相關控制參數、控制策略等模塊。

控制策略搭建由啟停模塊、能量回收模塊、助力模塊組成，通過車速、發動機負載信號、制動信號、電池SOC、發動機轉速等信號輸入進行邏輯判斷，實現不同策略之間的調整與切換。

啟停模塊：根據駕駛員的操作與當前車輛狀態來決定是否允許停機，由于發動機暖機起動所消耗的燃料大約相當于怠速運轉0.7s所消耗的燃料，因此只要車輛停止時間超過1s即可通過啟停模塊降低油耗與排放。由于BSG電機相對傳統啟動電機具備更高的啟動扭矩，可實現快速且平穩起動，同時將發動機拖拽至怠速以上后噴油點火，無需加濃，故對啟動時排放與油耗存在明顯改善（預估降低3%～6%的燃油消耗和有害物質排放）。

能量回收模塊：車速高于設定值且電池SOC低于設定值時，通過制動信號使發動機熄火，離合器結合，BSG電機處于發電狀態向48V電池充電，實現制動能量回收。

輔助助力模塊：當電池SOC高于設定值且車輛需求高功率驅動時，BSG運行于驅動模式，對發動機進行扭矩輔助，或者，當SOC低于限定值且車輛功率需求較低時，提高發動機運行工作點使發動機剩余功率驅動BSG電機發電，迫使發動機更多的運行于排放或油耗經濟區。此外，低速階段由于傳統自吸發動機扭矩有限，BSG助力扭矩可明顯提升低速段整車加速性能。

針對NEDC工況，本文著重于通過策略的優化調整，綜合駕駛性與經濟性需求，使整車性能達成最優，為技術方案選型及性能目標達成可行性提供依據，指導進一步開展的研發工作。按控制策略在不同工況下的運行模式，可將本文策略分解如下兩類：

①全工況助力與能量回收策略;

②高速能量回收策略。

3 ?性能仿真與試驗結果分析

在上述模型基礎上開展整車性能仿真分析，同時整車以BSG技術方案樣車完成了動力性、經濟性測試，通過比對分析各工況下性能仿真結果與試驗結果，驗證該模型精度并為類似BSG技術方案選型提供參考。

3.1 發動機試驗結果分析

由于發動機性能參數受BSG及相應輪系存在一定程度的影響，首先，通過比對BSG電機技術方案與傳統發電機技術方案發動機倒拖摩擦功，判斷BSG電機技術對于發動機性能影響并更正Cruise模型中發動機倒拖模型參數。測試工況為BSG電機空載（不發電、不助力），發動機由測功機倒拖運行至轉速800～6000rpm，測試結果如圖1。試驗結果確認發動機倒拖摩擦扭矩受BSG技術方案影響較小。

其次，通過試驗比對發動機應用BSG技術前后萬有特性參數，判斷BSG技術對于發動機萬有特性Map油耗影響并更正Cruise模型中發動機萬有特性參數。測試工況為BSG電機空載，發動機由800～6000各轉速負荷運轉，測試結果如圖1。試驗結果確認BSG技術方案對發動機低速段比油耗存在2～5%負面影響，對發動機高速段存在10～18%的負面影響。

3.2 整車動力性性能仿真及試驗結果分析

車輛載荷設置為滿載，該車型為MT，換檔策略設置為按發動機轉速換檔，計算各檔最大加速度、0～100km/h原地起步連續換檔加速時間及其它加速性指標，計算結果與試驗測試結果比對如表2。

由上述仿真與試驗結果可見，BSG技術對于整車低速段加速性能存在顯著提升，但高速段影響較小。雖然傳統發動機可以通過加裝渦輪增壓器、提升排量等方案提升動力性能，整車端也可以通過其他加裝電機方案提升動力性，但相對的，48V-BSG技術方案對于動力性提升的幅度與提升成本的幅度相比使其更加具備經濟價值。

3.3 整車經濟性性能仿真及試驗結果分析

NEDC工況下通過策略調整，實現不同工況及策略應用下整車經濟性差異比對，分析各工況下各種策略選擇的優勢與劣勢。

3.3.1 高速能量回收策略

BSG電機特性決定其高速助力不明顯，同時低速工況能量回收效率低，此外，在改善BSG輪系可靠性能及整車NVH的同時也簡化控制邏輯，降低控制難度與成本，僅中高速工況啟動能量回收，除極端工況BSG電機全程助力實現動力性外，中低速避免BSG電機頻繁啟動。該策略性能仿真發動機運行工況如圖2。

如上所示，采用高速工況能量回收策略，發動機工作工況與啟停模型差異主要體現在能量回收導致的高速工況變化以及回收能量提供的電能導致部分工況的助力實現，該策略整車NEDC油耗仿真6.42L/100km，相較原車7L/100km油耗降低9%。

3.3.2 全工況助力與能量回收策略

如前文所述，NEDC工況條件下對發動機進行精細控制，以經濟性指標為基準，通過邏輯判斷定義BSG電機工況，進而實現全工況助力與能量回收，達成能量平衡的基礎上，實現發動機運行工況優化，改善整車能耗。該策略性能仿真發動機運行工況如圖3。

如上所示，采用全工況助力及能量回收策略，發動機工作工況與啟停模型差異較大，發動機工況向經濟區靠近幅度更大，同時回收能量工況的增多導致提供的電能增加，進而導致助力工況增多，整車油耗降低。該策略整車NEDC油耗仿真6.27L/100km，相較原車7L/100km油耗降低10.4%。

3.3.3 試驗結果與性能仿真比對分析

實車驗證采用低速工況助力與高速工況能量回收策略，總體上達成能量平衡，在此基礎上完成整車經濟性測試，實測油耗6.6L/100km。

綜合以上策略及試驗結果（表3），實測整車油耗降低幅度為9%，與開發目標6.3差距較小，基本達成開發目標。同時，相同控制策略模式下仿真數據與實測數據差距0.8%，滿足仿真精度要求，在此基礎上，可認為采用精細化控制模式可進一步降低油耗至6.27，實現10%以上油耗降幅。

4 ?總結

綜合以上仿真及試驗結果比對，總結如下：

①BSG技術的應用對于發動機倒拖功影響較小，但對于發動機低速段燃油消耗率存在2%～5%，高速段燃油消耗率存在10%～18%不等的負面影響;

②由于發電效率相對較低，助力工況對于整車經濟性改善效果并不顯著，但對于低速段整車的加速性能存在明顯提升。

③NEDC整車工況運行下，實測BSG技術應用對于整車經濟性改善貢獻10%，與低速工況助力與高速能量回收策略性能仿真數據偏差較小。

④該整車性能仿真模型性能仿真數據與試驗數據符合性較好，可滿足48V-BSG類型車型性能仿真需求，對整車策略的調試具備一定指導意義。

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