目前傳統(tǒng)汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？刂萍夹g(shù)，由于采用的是12V啟動(dòng)電機(jī)，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)和起動(dòng)短時(shí)不平順，造成了一些客戶的困擾。當(dāng)處于市區(qū)擁堵工況運(yùn)行時(shí)，這類缺點(diǎn)更易
目前傳統(tǒng)汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制技術(shù)，由于采用的是 12V啟動(dòng)電機(jī)，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)和起動(dòng)短時(shí)不平順，造成了一些客戶的困擾。當(dāng)處于市區(qū)擁堵工況運(yùn)行時(shí)，這類缺點(diǎn)更易被放大，發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁起機(jī)和停機(jī)嚴(yán)重影響駕駛感，同時(shí)也易降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，而48V汽車電壓等級(jí)提高了，可利用BSG電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速起停，起機(jī)時(shí)間更短且更平穩(wěn),并能夠在不同的構(gòu)型中實(shí)現(xiàn)不同的功能[9],使得發(fā)展48V成為了新能源節(jié)能汽車的一個(gè)重要方向。由于48V微混合動(dòng)力系統(tǒng)的特殊性，原傳統(tǒng)車的起停條件和功能設(shè)計(jì)已不能夠滿足現(xiàn)有的技術(shù) 需求，因此，本文針對(duì) 48V車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)起停功能進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)及測(cè)試，同時(shí)提出了基于多維度、多路況的發(fā)動(dòng)機(jī)起停主動(dòng)預(yù)測(cè)功能，旨在為相關(guān)工程人員提供設(shè)計(jì)參考。
2 48V動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型原理2.1 48V動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案48V微混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖1），主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、BSG電機(jī)、動(dòng)力電池組、離合器、減速器以及相應(yīng)的控制器組成。本文匹配的電機(jī)峰值功率為10kW，電池峰值放電功率為12kW，可用 能量 192W·h?？刂破靼ㄕ嚳刂破鳎℉CU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、電機(jī)控制器（MCU）、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器 （ EMS）以及變速箱控制器（TCU）。其中，BSG電機(jī)作為啟動(dòng)和發(fā)電一體機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪系相連，不僅能夠提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還能與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合共同驅(qū)動(dòng)車輛，使得動(dòng)力傳輸能力更強(qiáng)，同時(shí)，在車輛滑行和制動(dòng)過(guò)程中還可以利用電機(jī)進(jìn)行能量回收。
2.2 48V動(dòng)力系統(tǒng)控制原理在 48V微混合動(dòng)力系統(tǒng)中，基于整車控制器HCU的核心協(xié)同運(yùn)行算法，通過(guò)與EMS、MCU、BMS及TCU在不同行駛狀態(tài)下的控制設(shè)計(jì)，合理分配不同動(dòng)力源 的扭矩輸出，可以實(shí)現(xiàn)多種混合動(dòng)力系統(tǒng)功能運(yùn)行模式。其中，需要 HCU做好關(guān)鍵的行駛狀態(tài)控制，具體實(shí)現(xiàn)包括上下電管理、發(fā)動(dòng)機(jī)起停功能、駕駛員扭矩需求計(jì)算、系統(tǒng)扭矩分配、總成能力計(jì)算、能量管理功能以及安全監(jiān)控。最終表現(xiàn)在實(shí)車上，可以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行模式包括發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停、電爬行、怠速充電、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、行車充電、能量回收、滑行模式。通過(guò) HCU接收MCU的電機(jī)參數(shù)信息，可以控制電機(jī)進(jìn)入不同的工作模式，比如扭矩模式和轉(zhuǎn)速模式、以及控制電機(jī)輸出相應(yīng)數(shù)值用于滿足車輛駕駛需求，實(shí)現(xiàn)助力、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)及能量回收功能。HCU接收BMS的電池電壓、電流、SOC以及模式狀態(tài)，控制電池主繼電器的閉合時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的上下電功能。HCU接收EMS的水溫、暖機(jī)請(qǐng)求等信號(hào)，結(jié)合整車運(yùn)行狀態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出和斷油，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起停功能。HCU接收TCU的擋位信號(hào)，結(jié)合駕駛行為狀態(tài)，控制離合器打開和閉合，實(shí)現(xiàn)車輛的換擋功能。
2.3 48V動(dòng)力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/section>48V微混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)汽車有所不同，分為48V高壓線路和12V低壓線路2個(gè)部分，2者之間通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換裝置DC/DC連接。高電壓系統(tǒng)承擔(dān)動(dòng)力總成、空調(diào)、底盤等大功率電子器件的負(fù)載，低電壓系統(tǒng)則為車燈、車載電腦、顯示屏等低功率負(fù)載供電。DC/DC主要功能是進(jìn)行48V電池與12V電池之間的電壓轉(zhuǎn)換，在電量傳輸模式下，能量從48V電氣網(wǎng)絡(luò)向12V電氣網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)12V電氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。
由于 48V微混汽車新增了BSG電機(jī)和48V電池等零部件，需要對(duì)原車上的CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行改造或者重新設(shè)計(jì)。本文所述的48V動(dòng)力系統(tǒng)的CAN通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。與整車控制器HCU相連接的網(wǎng)絡(luò)有2路，分別為混動(dòng)網(wǎng)絡(luò)Hybrid-CAN和動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)PT-CAN。其中，Hybrid-CAN連接了BMS、MCU、DC/DC及EMS；PT-CAN連接了IC、TCU、EPS以 及其他控制器。整車控制器 HCU除了主控制之外，在CAN網(wǎng)絡(luò)中還可起到網(wǎng)關(guān)作用，用于連通Hybrid-CAN和PT-CAN，能夠直接與車輛上的各主要控制器進(jìn)行通信，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的效果。3發(fā)動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)功能的觸發(fā)，通常是在車輛短暫停止或滑行過(guò)程中，根據(jù)駕駛操作以及功能需求的設(shè)計(jì)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的起停，比如在短暫等紅燈時(shí)，臨時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)避免燃油消耗、或者自動(dòng)觸發(fā)停機(jī)、或者在滑行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)滑行起停功能。在 48V微混汽車動(dòng)力系統(tǒng)中，當(dāng)HCU判定汽車處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)，會(huì)依據(jù)停機(jī)的條件實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，以克服傳統(tǒng)的怠速工況造成的高油耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。當(dāng)駕駛員試圖行車時(shí)，HCU會(huì)依據(jù)起機(jī)條件自動(dòng)發(fā)出起動(dòng)指令，利用BSG帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，該起動(dòng)時(shí)間比傳統(tǒng)起動(dòng)時(shí)間更短和更平順。
發(fā)動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)構(gòu)成如圖 3所示，HCU整車控制器根據(jù)駕駛員的操作行為、各子系統(tǒng)控制器反饋的信號(hào)以及通過(guò)傳感器采集到的各部件的狀態(tài)信號(hào)。通過(guò)內(nèi)部模塊控制算法確定發(fā)動(dòng)機(jī)的起停功能是否被觸發(fā)。如果滿足起停的觸發(fā)條件，HCU會(huì)將控制指令通過(guò)CAN總線發(fā)送給MCU和EMS，控制電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)按既定的程序指令運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起?？刂?。48V系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起停功能所涉及的零部件如表1所示，提供的信號(hào)可用于起停功能的觸發(fā)條件判斷。HCU根據(jù)48V微混動(dòng)力系統(tǒng)上電狀態(tài)、車輛行駛狀態(tài)、駕駛員操作行為、電池SOC及其他各子系統(tǒng)狀態(tài)，決定發(fā)動(dòng)機(jī)是否起機(jī)或停機(jī)，因此，需要合理設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)的起停條件及模塊調(diào)用機(jī)制。
在控制發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)時(shí)，應(yīng)充分考慮滿足起機(jī)的條件，只有滿足條件時(shí)， HCU才能控制發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)。相應(yīng)的起機(jī)條件包括（滿足以下任意條件即可起機(jī)）：（ 1）48V電池SOC低于預(yù)設(shè)值；（ 2）發(fā)動(dòng)機(jī)水溫低于預(yù)設(shè)值；（ 3）空調(diào)系統(tǒng)有打開的請(qǐng)求；（ 5）P/N擋下，油門踏板開度大于預(yù)設(shè)值；（ 6）車輛靜止時(shí)駕駛員掛入D/R擋，車輛開始起步；（ 7）發(fā)動(dòng)機(jī)本身原因禁止停機(jī)的，繼續(xù)保持運(yùn)行。在控制發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，應(yīng)充分考慮滿足停機(jī)的條件，只有滿足條件時(shí)， HCU才能控制發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。相應(yīng)的停機(jī)條件包括（均滿足以下條件時(shí)才能停機(jī)）：（ 1）48V電池SOC高于預(yù)設(shè)值；（ 2）發(fā)動(dòng)機(jī)水溫高于預(yù)設(shè)值；（ 3）空調(diào)系統(tǒng)無(wú)打開的請(qǐng)求；（ 5）P/N擋下車速低于預(yù)設(shè)值，或者D擋下踩制動(dòng)使制動(dòng)壓力大于預(yù)設(shè)值；（ 6）發(fā)動(dòng)機(jī)沒有禁止停機(jī)的請(qǐng)求；（ 7）電池可用功率大于預(yù)設(shè)值，滿足自動(dòng)起機(jī)時(shí)的功率要求；（ 8）BSG許用功率大于預(yù)設(shè)值，滿足自動(dòng)起機(jī)時(shí)的功率要求。
4.2發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)控制時(shí)序為了便于理解發(fā)動(dòng)機(jī)的起機(jī)過(guò)程，繪制某款 48V車型的起機(jī)時(shí)序，如圖4所示。利用BSG電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)的控制流程要基于HCU的信號(hào)指令。當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)滿足上述發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)條件時(shí)，HCU發(fā)送BSG電機(jī)起機(jī)信號(hào)請(qǐng)求，控制電機(jī)輸出起動(dòng)扭矩，將發(fā)動(dòng)機(jī)拖至目標(biāo)轉(zhuǎn)速n1且持續(xù)預(yù)設(shè)時(shí)間>t1，HCU發(fā)送供油請(qǐng)求指令，EMS控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火進(jìn)入怠速模式，并保持發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速轉(zhuǎn)速附近工作，之后控制BSG電機(jī)輸出怠速扭矩并逐漸降低扭矩輸出，最后由EMS接管扭矩，完成BSG電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩交替輸出。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速高于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速 n 2 且維持預(yù)設(shè)時(shí)間>t 2 ，則發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成，EMS應(yīng)向HCU反饋發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成的CAN信號(hào)，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)過(guò)程結(jié)束。4.3發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制時(shí)序發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的控制方法要基于 HCU的斷油信號(hào)指令，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)的控制時(shí)序如圖5所示。HCU根據(jù)整車及零部件狀態(tài)判斷條件是否符合停機(jī)，當(dāng)符合停機(jī)要求時(shí)，HCU通過(guò)向EMS發(fā)送斷油請(qǐng)求，此時(shí)EMS應(yīng)快速響應(yīng)HCU發(fā)送的斷油請(qǐng)求，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷俎D(zhuǎn)速逐步降低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)完成從怠速工作狀態(tài)至斷油停機(jī)的控制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速n 3 且維持預(yù)設(shè)時(shí)間 >t 3 ，則發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)完成，EMS應(yīng)向HCU反饋發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)完成的CAN信號(hào)，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程結(jié)束。5發(fā)動(dòng)機(jī)起停試驗(yàn)分析為了驗(yàn)證利用 BSG電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在某輛匹配48V系統(tǒng)的汽車上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起停功能的試驗(yàn)測(cè)試。在車輛短暫停車過(guò)程中，駕駛員松開制動(dòng)踏板，HCU檢測(cè)到滿足起機(jī)條件時(shí)，通過(guò)內(nèi)部控制模塊能夠有效地觸發(fā)起機(jī)程序，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，起動(dòng)時(shí)利用BSG電機(jī)拉動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，起機(jī)時(shí)間縮短至0.3~0.5s，如圖6所示。這種起機(jī)方式通過(guò)BSG電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)快速拉升至怠速區(qū)，實(shí)現(xiàn)噴油點(diǎn)火起機(jī)，可以較大程度地縮短起動(dòng)時(shí)間，并提高車輛起機(jī)平順性。6.1智能網(wǎng)聯(lián)信息采集系統(tǒng)當(dāng)前汽車行業(yè)正朝著新四化的方向發(fā)展，即電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化和共享化。以電動(dòng)化為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)節(jié)能出行，以網(wǎng)聯(lián)化為紐帶實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享，以智能化為方向?qū)崿F(xiàn)美妙出行，這些或?qū)⒊蔀槠噷?shí)現(xiàn)終極智能駕乘目標(biāo)的可行途徑。在新能源汽車先進(jìn)技術(shù)開發(fā)方面，智能的主動(dòng)預(yù)測(cè)功能開發(fā)也成為了一大熱點(diǎn)，為此，本文提出和論述基于多維度、多路況的發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)預(yù)測(cè)起停功能的開發(fā)方案。在主動(dòng)預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)起停功能時(shí)，需要智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)對(duì)車輛行駛狀態(tài)、駕駛行為狀態(tài)以及路況環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，如圖 7所示。智能網(wǎng)聯(lián)對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，并把參數(shù)結(jié)果發(fā)給HCU，HCU基于智網(wǎng)參數(shù)信息以及各動(dòng)力源的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)主動(dòng)預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)起停時(shí)機(jī)。通過(guò)傳感器設(shè)備和 CAN網(wǎng)絡(luò)總線，獲取車輛的行駛車速、車輛加速度、車輛擋位信息等參數(shù)，為整車控制系統(tǒng)提供參數(shù)輸入。通過(guò)傳感器獲取油門踏板和制動(dòng)踏板參數(shù)，通過(guò) CAN網(wǎng)絡(luò)總線信號(hào)獲取駕駛模式。其中，駕駛模式是指駕駛員選擇的車輛操縱模式，比如有經(jīng)濟(jì)模式、運(yùn)動(dòng)模式或雪地模式等。（ 3）路況環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控通過(guò)傳感器設(shè)備和 CAN網(wǎng)絡(luò)總線，獲取轉(zhuǎn)向行車等參數(shù)，通過(guò)智能網(wǎng)聯(lián)大數(shù)據(jù)(結(jié)合GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù))，判斷行車路況分布，各路段的擁擠程度，以及判斷下一個(gè)紅綠燈分布以及距離，為主動(dòng)預(yù)測(cè)起停提供數(shù)據(jù)支撐。
6.2主動(dòng)預(yù)測(cè)起停系統(tǒng)根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控到的信息， HCU再結(jié)合各總成的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基于多維度、多路況的起停預(yù)測(cè)功能，如圖8所示。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和節(jié)氣門開度、變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速和扭矩、電池SOC、電流和電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、電流和電壓等參數(shù)來(lái)提前制定發(fā)動(dòng)機(jī)的起?？刂撇呗?，做到提前識(shí)別何時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步優(yōu)化工作區(qū)域，減少油耗和排放。通過(guò)車輛裝配的智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)，包括感知設(shè)備和通信設(shè)備等， HCU可以實(shí)時(shí)獲取自身車輛的行駛狀態(tài)、前方車輛行駛狀態(tài)以及路口紅綠燈時(shí)間等信息。比如當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方為紅綠燈路口時(shí)，檢測(cè)到與前車間距小于s1時(shí)且2者速度差值小于v1時(shí)，可以主動(dòng)控制滑行停機(jī)。當(dāng)車處于紅綠燈交叉路口，利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)算出停車等待時(shí)間，判斷與前車的間距及速度差值是否超過(guò)閾值等，可以主動(dòng)進(jìn)行提前起機(jī)，以更好地匹配用戶行車意圖。通過(guò)基于未來(lái)路況信息的主動(dòng)預(yù)測(cè)起停功能，利用雷達(dá)，攝像頭， GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)，提前了解車輛前方的路況信息，利用先進(jìn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)滑行停機(jī)或起機(jī)，避免到達(dá)擁擠路段跟前時(shí)才緊急制動(dòng)停機(jī)，這種方法在智能駕駛以及未來(lái)降油耗方面有一定的開發(fā)前景。48V微混動(dòng)力系統(tǒng)是一種能夠有效折中成本和節(jié)油率的混合動(dòng)力節(jié)能技術(shù)，通過(guò)有效的發(fā)動(dòng)機(jī)起停控制技術(shù)開發(fā)，不僅能夠優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行、縮短起機(jī)時(shí)間和提升平順性，還能降低油耗和減小排放。
本文通過(guò)介紹 48V微混動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型方案、控制原理，著重分析了發(fā)動(dòng)機(jī)起停功能、起停條件、起停 時(shí)序和控制策略，并基于實(shí)車進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。同時(shí)，針對(duì)智能控制技術(shù)發(fā)展，可以基于多維度、多工況進(jìn)行主動(dòng)預(yù)測(cè)起停功能的開發(fā)，為新能源汽車新四化的發(fā)展添磚加瓦，為相關(guān)工程人員提供設(shè)計(jì)參考。未來(lái)，隨著汽車智能化的不斷發(fā)展，部件需要消耗的能量會(huì)越來(lái)越大，僅靠 12V電池供電已不能完全滿足需求，而48V系統(tǒng)可以帶來(lái)部件或子系統(tǒng)的優(yōu)化，推動(dòng)更多部件電壓等級(jí)提升和新功能的開發(fā)。同時(shí)，在能源緊張、法規(guī)日趨嚴(yán)格和汽車新四化發(fā)展的背景下，48V系統(tǒng)將會(huì)有非常大的應(yīng)用潛力。文章來(lái)源：1.中國(guó)第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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