48V微混系統(tǒng)IBSG電機(jī)電壓控制模式研究

1/948V微混系統(tǒng)IBSG電機(jī)電壓控制模式研究孫新函萬(wàn)曉同韓鈺(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司)【摘要】本文分析了微混系統(tǒng)在48V電池異常情況下整個(gè)車輛的工作狀態(tài)，為保證該情況下車輛仍能夠像傳統(tǒng)車一樣運(yùn)行，此時(shí)IBSG電機(jī)不再處于常規(guī)的扭矩控制模式，而是處于電壓控制模式。為研究電機(jī)轉(zhuǎn)速和12V負(fù)載變化對(duì)電壓控制模式影響，分別在電機(jī)臺(tái)架和某1.0L排量發(fā)動(dòng)機(jī)的樣車上進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)48V電池繼電器斷開后，電機(jī)能夠順利進(jìn)入電壓控制模式且平穩(wěn)運(yùn)行，該運(yùn)行模式保證了48V電池異常后仍能使車輛繼續(xù)運(yùn)行，作為一種輔助駕駛模式，增強(qiáng)了車輛的系統(tǒng)安全性和魯棒性?！娟P(guān)鍵詞】48V微混系統(tǒng);IBSG;電壓控制;母線電壓StudyofIBSGVoltageControlBaseon48VMicroHybridSystemSUNXINHANWANXIAOTONGHANYU(PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.,Ltd)Abstract:Thispaperanalyzesvehicleoperationwhen48Vbatteryisinabnormalstatus.Inordertokeepthevehicletobedrivenasatraditionalcar,IBSGisnolongerworkingintorquecontrolmode,butinvoltagecontrolmodeinthiscondition.ForpurposeofstudyingtheinfluenceofIBSGspeedchangeand12Vloadchangeinvoltagecontrolmode,itisvalidatedbothinbenchtestandvehicletestwith1.0Lengine.ResultsshowthatIBSGcanenterthevoltagecontrolmodesmoothly.Thevoltagecontrolmodeensuresthevehiclecontinuestobedrivenwhen48VbatteryisnotontheDCbus.Asakindofauxiliarydrivingmode,thiscontrolmodeenhancesthesecurityandrobustnessofthevehicle.Keywords:48VmicroBAS;IBSG;voltagecontrol;busvoltage0引言隨著國(guó)家法規(guī)對(duì)油耗和排放要求日益嚴(yán)格，以及電氣化系統(tǒng)的發(fā)展，混合動(dòng)力技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵?！吨袊?guó)制造2025》明確規(guī)定，2025年中國(guó)乘用車企業(yè)必須要滿足平均燃料消耗量4L/100km，2030年中國(guó)乘用車企業(yè)必須要滿足平均燃料消耗量3.2L/100km[1]。為適應(yīng)國(guó)家政策和滿足排放法規(guī)，整車廠與零部件供應(yīng)商均在尋找滿足要求的解決方案。但目前強(qiáng)混和插電式混合動(dòng)力技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高，因此尋找一種高性價(jià)比的混合動(dòng)力方案尤為重要。48V微混系統(tǒng)[2]因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、節(jié)能效果顯著，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外新能源汽車企業(yè)的研究熱點(diǎn)。全球大型供應(yīng)商如法雷奧、博世、大陸等都相繼開發(fā)出了成熟的方案[3]，整車廠可以在架構(gòu)改動(dòng)很小的情況下方便地將48V微混系統(tǒng)移植到對(duì)應(yīng)車型上。48V微混系統(tǒng)汽車除了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)油率達(dá)10%~12%外，還可以明顯改善車輛起停功能、動(dòng)力性，具有較好地駕駛質(zhì)量和客戶感受。國(guó)內(nèi)如上汽通用汽車、吉利汽車、長(zhǎng)安汽車等紛紛開始大力推廣48V微混系統(tǒng)方案?？梢灶A(yù)測(cè)，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，48V微混系統(tǒng)作為高性價(jià)比節(jié)能方案會(huì)占據(jù)可觀的市場(chǎng)比例。根據(jù)IHSMarkit預(yù)測(cè)，2025年48V微混車輛市場(chǎng)保有量將會(huì)達(dá)到18%。目前行業(yè)內(nèi)主要基于48V電池正常工作情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制研究，未研究48V電池異常情況下的相關(guān)控制策略。本文考慮到車輛實(shí)際使用中48V電池可能損壞或者在低溫環(huán)境下電池?zé)o法正常充放電的情況，提出一種新的“電壓控制”模式，通過(guò)該控制模式可以在48V電池失效或者異常情況下繼續(xù)使用車輛，延長(zhǎng)車輛行駛距離。通過(guò)HCU(HybridControlUnit,混合動(dòng)力控制單元)控制打開電池繼電器，模擬車輛實(shí)際行駛48V電池不工作的條件，進(jìn)行電壓控制模式研究，并分別在臺(tái)架上和實(shí)車上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明在48V電池不工作條件下車輛仍能夠像傳統(tǒng)車一樣繼續(xù)運(yùn)行。148V微混系統(tǒng)架構(gòu)和功能48V微混系統(tǒng)可以在傳統(tǒng)車結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，將傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)移除，增加IBSG(IntegratedBeltStarterGenerator，起動(dòng)發(fā)電一體機(jī))電機(jī)，48V電池，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊及混動(dòng)控制軟件單元HCU[4]，從混合動(dòng)力的結(jié)構(gòu)上分類屬于P0并聯(lián)式架構(gòu)。在保留傳統(tǒng)車12V電壓網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，增加48V電壓網(wǎng)絡(luò)，該電壓網(wǎng)絡(luò)低于60V安全電壓，不需要采取額外的電壓防護(hù)。48V微混系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下圖1所示，其中IBSG電機(jī)通過(guò)皮帶輪與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連[5]，IBSG電機(jī)、電池與DC-DC轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)48V總線兩兩相連，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊作為48V系統(tǒng)與12V系統(tǒng)的橋梁將48V電壓轉(zhuǎn)換成12V電壓為車上用電負(fù)載和12V電池提供能量。圖148V微混系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.148Vmicrosystemtopologydiagram48V微混系統(tǒng)的主要功能如下[6]：起停功能，與傳統(tǒng)12V系統(tǒng)起停功能相比，48V系統(tǒng)起?？梢杂呻姍C(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到800r/min，IBSG電機(jī)的啟動(dòng)扭矩更大、響應(yīng)速度更快，提升了啟動(dòng)性能，同時(shí)也降低了油耗；加速助力功能，當(dāng)車輛行駛在上坡或者需要加速行駛時(shí)，電機(jī)可以提供正向扭矩輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，改善了駕駛體驗(yàn)；智能充電，當(dāng)車輛行駛在平穩(wěn)路況時(shí)，可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)并將發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換成電能對(duì)電池進(jìn)行充電，多余的電能可以通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊為車上12V負(fù)載提供能量；制動(dòng)能量回收，車輛制動(dòng)時(shí)電機(jī)通過(guò)發(fā)電模式將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能保存在電池中，維持了電池電量平衡。本文搭載1.0L發(fā)動(dòng)機(jī)和48V微混系統(tǒng)進(jìn)行研究的樣車主要參數(shù)如表1所示：表1樣車主要參數(shù)表Tab.1Democarmainparametertable項(xiàng)目參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量1.0L變速箱類型DCT48V電池容量8AhIBSG電機(jī)峰值功率10kWDC-DC轉(zhuǎn)換模塊功率1.5kW2IBSG電機(jī)作為48V系統(tǒng)三電關(guān)鍵部件之一，電壓控制模式由IBSG電機(jī)實(shí)現(xiàn)，本文所采用的IBSG電機(jī)自身集成電機(jī)控制器，使整車布置更為緊湊，電機(jī)選型為交流異步電機(jī)，電機(jī)核心部件定子采用扁線設(shè)計(jì)，大大提高了電機(jī)的功率密度，電機(jī)采用矢量控制方法[7]，與整車的通訊方式為CAN通訊，電機(jī)的主要參數(shù)如下表2所示：表2電機(jī)主要參數(shù)表Tab.2IBSGmainparametertable項(xiàng)目參數(shù)峰值功率10kW峰值扭矩50Nm最高轉(zhuǎn)速18000rpm電壓范圍36-52V系統(tǒng)最大效率85%速比2.5冷卻方式風(fēng)冷IBSG電機(jī)的爆炸示意圖如下圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)包括定子，轉(zhuǎn)子，功率模塊組件、控制板及前后端蓋等。圖2電機(jī)爆炸示意圖Fig.2IBSGexplosiveview3電壓控制模式車輛在正常行駛過(guò)程中，無(wú)論是處于加速、勻速還是減速工況，電機(jī)都工作在扭矩控制模式[8]，此時(shí)HCU給電機(jī)的命令為正扭矩或者負(fù)扭矩命令，電機(jī)根據(jù)扭矩指令響應(yīng)對(duì)應(yīng)的扭矩，當(dāng)電機(jī)響應(yīng)正扭矩指令時(shí)，此時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)模式；當(dāng)電機(jī)響應(yīng)負(fù)扭矩指令時(shí)，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電模式[9]。當(dāng)48V電池出現(xiàn)異?；蛘咴诘蜏丨h(huán)境電池?zé)o法正常充放電時(shí)，電機(jī)若繼續(xù)工作在扭矩控制模式，由于缺少電池這個(gè)能量“緩沖”裝置，母線電壓很容易超出60V閾值導(dǎo)致過(guò)壓故障，同時(shí)也會(huì)對(duì)后級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊模塊造成損壞，因此電機(jī)無(wú)法繼續(xù)工作在扭矩控制模式，車上12V負(fù)載由于沒(méi)有能量來(lái)源而無(wú)法繼續(xù)工作，車輛無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行?；诖?，為保證后級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊模塊能得到正常范圍的輸入電壓，車輛仍能像傳統(tǒng)車一樣繼續(xù)行駛，本文提出一種電機(jī)電壓控制模式，當(dāng)遇到上述情況后電機(jī)工作模式由扭矩控制模式切換到電壓控制模式，此時(shí)控制器控制變量為“電壓”，該電機(jī)的工作模式切換由HCU進(jìn)行控制，目標(biāo)電壓指令由HCU發(fā)出，目標(biāo)電壓的值可通過(guò)實(shí)際測(cè)試進(jìn)行標(biāo)定，電機(jī)在系統(tǒng)工作過(guò)程中實(shí)時(shí)響應(yīng)該目標(biāo)電壓，維持母線電壓處于36V-52V正常區(qū)間范圍。電機(jī)扭矩大小不再受HCU控制，由于電壓控制模式目標(biāo)是使車上用電負(fù)載正常運(yùn)行，對(duì)功率需求較小，一般不超過(guò)2kW，故電機(jī)在該模式下運(yùn)行的扭矩較小，其扭矩安全性可以由IBSG電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理[10]。電壓控制模式的控制過(guò)程如下圖3所示，整個(gè)控制過(guò)程主要分四步：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到48V電池異常而斷開繼電器，此時(shí)由于12V電池存在車輛12V負(fù)載仍能工作一段時(shí)間，此時(shí)HCU將給DC-DC轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出預(yù)充電指令，將母線電壓建立到一定值，保證電壓控制模式能夠正常進(jìn)入，該電壓值與HCU發(fā)出的控制目標(biāo)電壓值保持一致；當(dāng)母線建立起電壓后，HCU向電機(jī)發(fā)出電壓控制指令和目標(biāo)控制電壓，電機(jī)進(jìn)入電壓控制模式，此時(shí)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊退出預(yù)充電模式進(jìn)入idle狀態(tài)；HCU向DC-DC轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出工作指令，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊由idle模式進(jìn)入Buck模式，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊在模式切換時(shí)電機(jī)負(fù)載突然增大會(huì)拉低母線電壓，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在該過(guò)程中DC-DC轉(zhuǎn)換模塊增加軟起動(dòng)功能，使DC-DC轉(zhuǎn)換模塊在工作時(shí)電流以一定速率上升，該電流的變化速率可以通過(guò)軟件進(jìn)行標(biāo)定得出；當(dāng)車上負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)Buck工作模式調(diào)整輸出電流的變化，IBSG電機(jī)通過(guò)控制電壓來(lái)保證母線電壓穩(wěn)定在一定范圍。圖3電壓控制模式控制示意圖Fig.3Voltagecontroldiagram4測(cè)試驗(yàn)證從整個(gè)控制系統(tǒng)分析可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化和12V負(fù)載的變化對(duì)電壓控制影響較大，該兩個(gè)變量的控制好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為驗(yàn)證該兩個(gè)變量對(duì)電機(jī)電壓控制模式穩(wěn)定性的影響，分別進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車測(cè)試。為提高測(cè)試的效率，本文通過(guò)軟件控制方法，強(qiáng)制將電池繼電器打開來(lái)模擬電池異常的狀態(tài)，同時(shí)考慮電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的速比關(guān)系和車用負(fù)載大小，測(cè)試試驗(yàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速選取范圍為2000rpm~10000rpm，電子負(fù)載的需求范圍為10A~110A。4.1臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證臺(tái)架設(shè)置如下圖4所示，其中實(shí)線為能量流，虛線為信號(hào)流。臺(tái)架試驗(yàn)利用測(cè)功機(jī)來(lái)代替發(fā)動(dòng)機(jī)，12V電子負(fù)載來(lái)代替車用負(fù)載，上位機(jī)代替HCU，其他部件如電機(jī)，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊及12V電池與車用部件保持一致。圖4電壓控制模式臺(tái)架示意圖Fig.4Voltagecontrolbenchsketchdiagram通過(guò)前文描述電壓控制模式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，經(jīng)過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊預(yù)充電和軟啟動(dòng)進(jìn)入電壓控制模式后，分別進(jìn)行如下三組測(cè)試：保持電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，改變電子負(fù)載，測(cè)試條件及結(jié)果如表3所示：表3電子負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試條件對(duì)應(yīng)表Tab.3TestconditionmappingbetweenelectronicloadandIBSGspeed電子負(fù)載(A)\電機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)2000500080001000010-40OKOKOKOK40-80OKOKOKOK80-110OKOKOKOK110-80OKOKOKOK80-40OKOKOKOK40-10OKOKOKOK電壓控制的目標(biāo)是維持車輛端12V電子負(fù)載正常工作，表3中“OK”表示在恒定轉(zhuǎn)速時(shí)，改變電子負(fù)載過(guò)程中，IBSG電機(jī)直流輸出端無(wú)過(guò)壓或欠壓故障報(bào)出，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊可以輸出對(duì)應(yīng)的電流來(lái)滿足電子負(fù)載需求。保持電子負(fù)載恒定，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)試條件及結(jié)果如表4所示：表4電機(jī)轉(zhuǎn)速與電子負(fù)載測(cè)試條件對(duì)應(yīng)表Tab.4TestconditionmappingbetweenIBSGspeedandelectronicload電機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)\電子負(fù)載(A)1040801102000-5000OKOKOKOK5000-2000OKOKOKOK2000-8000OKOKOKOK8000-2000OKOKOKOK2000-10000OKOKOKOK10000-2000OKOKOKOK表4中“OK”表示在電子負(fù)載恒定時(shí)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)程中，IBSG電機(jī)直流輸出端無(wú)過(guò)壓或欠壓故障報(bào)出，DC-DC轉(zhuǎn)換模塊可以輸出穩(wěn)定的電流保證電子負(fù)載需求。同時(shí)隨機(jī)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和電子負(fù)載。測(cè)試結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7所示，其中如下三個(gè)圖的五條信號(hào)曲線從上到下分別為母線電壓、電機(jī)工作模式、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊工作模式、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊輸出電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于項(xiàng)目要求，測(cè)試結(jié)果僅展示部分曲線來(lái)表征系統(tǒng)控制時(shí)IBSG電機(jī)直流側(cè)母線電壓實(shí)際輸出的波動(dòng)情況。圖5轉(zhuǎn)速恒定負(fù)載變化曲線Fig.5Speedconstantloadvaryingcurve圖6負(fù)載恒定轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.6Loadconstantspeedvaryingcurve圖7轉(zhuǎn)速和負(fù)載隨機(jī)變化Fig.7Speedandloadrandomvariation從上述臺(tái)架測(cè)試結(jié)果分析可知，母線電壓隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速和電子負(fù)載變化而波動(dòng)，當(dāng)電子負(fù)載恒定，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)母線電壓最為穩(wěn)定?？傮w來(lái)講電壓控制模式在臺(tái)架上能夠在電機(jī)轉(zhuǎn)速和電子負(fù)載同時(shí)動(dòng)態(tài)變化時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。4.2整車測(cè)試驗(yàn)證為進(jìn)一步驗(yàn)證電壓控制功能能夠在整車上實(shí)現(xiàn)，將48V三電零件搭載在1.0L排量發(fā)動(dòng)機(jī)和DCT變速箱的樣車上進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)加速踏板和制動(dòng)踏板來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)開關(guān)空調(diào)、車燈、助力轉(zhuǎn)向器、雨刮器等來(lái)改變車上用電負(fù)載，整個(gè)車輛處于自由駕駛模式。測(cè)試采集數(shù)據(jù)如下圖8所示，圖8所示六條曲線自上而下分別為：曲線(1)為母線電壓，曲線(2)為電機(jī)轉(zhuǎn)速，曲線(3)為電機(jī)扭矩，曲線(4)為DC-DC轉(zhuǎn)換模塊輸出電流，曲線(5)為電機(jī)工作模式，曲線(6)為DC-DC轉(zhuǎn)換模塊工作模式。整車試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)表明，在電壓控制模式下車輛能夠穩(wěn)定運(yùn)行。圖8電壓控制模式實(shí)車采集數(shù)據(jù)圖Fig.8Voltagecontrolvehicledatalog5結(jié)束語(yǔ)本文通過(guò)對(duì)電機(jī)電壓控制模式研究和分析，驗(yàn)證了當(dāng)48V電池異常情況下，利用該控制模式可以使車輛仍能像傳統(tǒng)車輛一樣運(yùn)行。該控制模式能夠較好應(yīng)用在天氣寒冷或者因48V電池異常造成的繼電器打開的情景下。當(dāng)48V電池繼電器打開后，電機(jī)能夠順利進(jìn)入電壓控制模式且運(yùn)行平穩(wěn)，在提醒駕駛員48V電池異常的同時(shí)，也可以做為一種輔助駕駛模式使車輛繼續(xù)運(yùn)行，增強(qiáng)了車輛的安全性和魯棒性?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】[1]張勝,張慶虎,丁安邦,等.汽車48VP0混動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,(17):170～172.[2]KuypersM.Applicationof48VoltforMildHybridVehiclesandHighPowerLoads,SAETechnicalPaper,2014-01-1790.[3]嚴(yán)宏昇.48VBSG技術(shù)研究與趨勢(shì)分析[J].價(jià)值工程,2019,38(6):194～196.[4]程吉鵬,陳丁躍