張新典

（同濟(jì)大學(xué),上海 201804）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車作為一種重要的交通工具給人們提供了出行的便利，因而全世界范圍內(nèi)的汽車產(chǎn)銷量也在不斷的增長。以中國市場為例，根據(jù)公安部交通管理局的統(tǒng)計，2022 年全國機(jī)動車保有量達(dá)4.17 億輛，其中汽車3.19 億輛。逐年增長的汽車保有量不僅加劇了石油資源短缺的問題，也加劇了環(huán)境污染問題。因此對低油耗低排放的新型汽車的研究已成為汽車工業(yè)當(dāng)前的重要課題。

為了降低能源消耗及排放，自2005 年起，中國便開始實行乘用車油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，即要求所有在中國市場銷售的車型應(yīng)滿足對應(yīng)的油耗限值[1]。2019 年，國家發(fā)布了第五階段《乘用車燃料消耗量限值》標(biāo)準(zhǔn)，于2021 年7 月1 日正式實行。該標(biāo)準(zhǔn)要求車企不斷提高節(jié)油技術(shù)，在2025 年普通家用車要達(dá)到4L/ 百公里水平。盡管目前傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機(jī)的熱效率最高已經(jīng)可以達(dá)到47%，但基于目前的基礎(chǔ)材料及技術(shù)水平限制，內(nèi)燃機(jī)熱效率已經(jīng)很難再有階躍性的提升，因此只靠傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展來滿足最新的油耗限值標(biāo)準(zhǔn)基本是不現(xiàn)實的。發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為各車企的頭號任務(wù)。0 排放的純電動汽車固然是較為理想的方案，但受限于當(dāng)前的電池材料及技術(shù)發(fā)展，純電動汽車仍具有成本偏高、續(xù)航能力有限、充電時間長等關(guān)鍵性痛點。因此兼具傳統(tǒng)燃油汽車?yán)m(xù)航能力與電動汽車低油耗低排放的混合動力汽車將在未來很長一段時間內(nèi)成為各車企的主流發(fā)展選擇。

除了對排放和燃油消耗的嚴(yán)格限制，現(xiàn)代汽車的另一個發(fā)展趨勢是智能化與電氣化。除了滿足基本的駕駛，人們也要求更多的舒適性與智能性功能。這也意味著對汽車功率的需求越來越高。汽車當(dāng)前的12V 電氣系統(tǒng)已經(jīng)接近了車載用電設(shè)備的最高需求功率[2]。例如傳統(tǒng)的汽車啟停技術(shù)，在12V蓄電池的供電電壓下，如果發(fā)動機(jī)停機(jī)，則無法滿足空調(diào)壓縮機(jī)的額定功率，這意味著整車進(jìn)入啟停狀態(tài)的時候，空調(diào)無法工作。因此整車電氣系統(tǒng)再次面臨升級，48V 電氣系統(tǒng)則是一種優(yōu)秀的解決方案。48V 電壓結(jié)構(gòu)的最高充電電壓為60V，這也是無防護(hù)的人體安全直流電壓的最高標(biāo)準(zhǔn)限值，因此在整車應(yīng)用時無需考慮和設(shè)計額外的高壓防護(hù)措施，同時也可以滿足現(xiàn)代汽車智能化的高功率用電設(shè)備的需求。

48V 電氣系統(tǒng)和混合動力結(jié)構(gòu)的組合具有很多優(yōu)勢。

（1）成本更低。與高壓輕度混合動力汽車相比，采用48V 電壓的混合汽車成本只有前者的30%，但可以實現(xiàn)其70%的功效。應(yīng)用汽油或柴油發(fā)動機(jī)的48V 輕度混合動力汽車，可將二氧化碳排放量減少10%以上，并通過回收制動能量，在低速情況下，為啟停式混動動力汽車提供更大的扭矩。

（2）整車廠可以選用小型發(fā)動機(jī)來提高燃油效率，但并不影響發(fā)動機(jī)的性能，額外增加的48V系統(tǒng)體積較小，不會大幅更改原有設(shè)計或增加過多重量。

（3）與傳統(tǒng)汽車相比，48V 系統(tǒng)可以實現(xiàn)原本由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的大功率附件的電氣化。如電子空調(diào)可以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)停機(jī)時空調(diào)的正常工作以保證車內(nèi)乘員舒適性，電子渦輪可以改善傳統(tǒng)渦輪增壓發(fā)動機(jī)上的渦輪遲滯現(xiàn)象。這些大功率設(shè)備的電氣化還可以降低發(fā)動機(jī)負(fù)載，提高發(fā)動機(jī)熱效率。

近十年以來，隨著電池材料和性能的發(fā)展，在對油耗、排放法規(guī)和整車成本的綜合考慮下，由鋰電池供電的48V 系統(tǒng)作為一種性價比最高的解決方案，各大國際車企及零部件供應(yīng)商紛紛跟進(jìn)研究。大眾、奧迪和寶馬均推出了搭載48V 系統(tǒng)的試制車型，博世、大陸、德爾福等國際知名零部件供應(yīng)商也紛紛推出了48V 系統(tǒng)和零部件，國內(nèi)也有諸多汽車廠商推出了搭載了48V 系統(tǒng)的量產(chǎn)車型。此外，調(diào)研與市場公司(ResearchandMarkets)在2018 年發(fā)布的行業(yè)報告中預(yù)測，到2025 年全球每年將有1400萬輛配備48V 系統(tǒng)的新車投入市場，其中中國市場780 萬輛[3]。2018 年至2025 年中國與國外48V 車輛市場預(yù)測如圖1，因此48V 輕混動力系統(tǒng)具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

圖1 中國市場和國外市場48V 車輛預(yù)測

1 48V P0 輕混動力系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 48V P0 輕混動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點

根據(jù)電機(jī)相對于傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的位置，可以把單電機(jī)混動方案分為五大類，如圖1，分別以P0,P1,P2,P3,P4 命名，這也是目前行業(yè)內(nèi)較為主流的混合動力系統(tǒng)分類方式[4]。

不同的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)其機(jī)械特性，所能夠支持的功能也有所區(qū)別。這幾種方案的對比分析如下表1 所示。

表1 不同混動結(jié)構(gòu)方案的功能及成本

從對比分析可以看出，采用P0 結(jié)構(gòu)的48V 輕混動力系統(tǒng)可以以很低的成本實現(xiàn)較為理想的節(jié)油效果，“性價比”很高，工程實際應(yīng)用價值較高。該結(jié)構(gòu)的48V 電機(jī)位于發(fā)動機(jī)前端，通常采用啟發(fā)一體式帶傳動電機(jī)（BSG），通過皮帶與發(fā)動機(jī)曲軸相連。其優(yōu)勢為對傳統(tǒng)整車結(jié)構(gòu)的改動最小，只需要將常規(guī)發(fā)電機(jī)替換為48V 電機(jī)，并可以取消起動機(jī)，對整車制造企業(yè)來說可以與傳統(tǒng)車型共用生產(chǎn)線，大大節(jié)省成本。另外電機(jī)與發(fā)動機(jī)直接相連，可以實現(xiàn)啟停、助力、能量回收等功能。但缺點為受限于皮帶傳動效率，能量損耗較大，且容易打滑，無法承受較大的轉(zhuǎn)矩輸出，因此只能進(jìn)行有限的助力和能量回收。由于電機(jī)與發(fā)動機(jī)一直相連接，無法支持純電行駛模式。

48V P0 輕混動力系統(tǒng)在整車電氣結(jié)構(gòu)方面仍然保留傳統(tǒng)的12V 電氣系統(tǒng)，如圖2 所示。若僅保留48V 系統(tǒng)，則會要求整車上所有負(fù)載電氣設(shè)備都進(jìn)行重新設(shè)計和開發(fā)，成本過高。因此目前的過渡階段常采用12V/48V 雙電氣系統(tǒng)[5]。

圖2 單電機(jī)混合動力系統(tǒng)分類

圖3 12V/48V 雙電氣系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 48V P0 輕混動力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件參數(shù)

由于P0 結(jié)構(gòu)的48V 輕混動力系統(tǒng)可以直接基于傳統(tǒng)燃油車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，選取市面某款傳統(tǒng)燃油車輛的基本參數(shù)如下表2。

表2 傳統(tǒng)燃油乘用車基本參數(shù)

發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)如下表3。

表3 汽油發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

由于本文的研究對象為P0 結(jié)構(gòu)的48V 輕混系統(tǒng)，48V 電機(jī)提供的輔助驅(qū)動功率相對有限，主要承擔(dān)的作用是起動發(fā)動機(jī)和一定程度的轉(zhuǎn)矩助推。因此其功率應(yīng)同時滿足起動時的需求功率P1和轉(zhuǎn)矩助推的需求功率P2。

（1）48V 電機(jī)在起動時可以將發(fā)動機(jī)拖至怠速轉(zhuǎn)速，從而優(yōu)化起動型線和降低起動震動和噪音。此時的需求功率P1可以用公式表示為：

式1.1 中Tn 為起動阻力矩，n 為目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速。查詢資料可知，該型號發(fā)動機(jī)在零下30 攝氏度時的起動阻力矩為50.15Nm，怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200rpm。代入數(shù)據(jù)可以計算出，P1=6.30kw。

（2）P0 結(jié)構(gòu)的48V 電機(jī)需要支持在發(fā)動機(jī)驅(qū)動的時候，進(jìn)行一定的動力輔助，此時的輸出功率為P2。考慮到帶傳動的打滑問題以及電機(jī)能力，需要電機(jī)支持在2500rpm 時輸出40Nm 的助推轉(zhuǎn)矩。根據(jù)上文公式計算可得，P2=10.47kw。

因此在比較市面上的所有48V 電機(jī)產(chǎn)品后，確定選取某一款48V 電機(jī)參數(shù)如下表4 所示。

表4 48V 電機(jī)參數(shù)

在48V 電機(jī)的參數(shù)確定之后，另一個需要確定參數(shù)的重要零部件就是48V 電池。作為48V 系統(tǒng)所有功能的能量來源，在考慮到充放電效率以及48V/12V 能量轉(zhuǎn)換效率，48V 電池的需求功率應(yīng)當(dāng)滿足：

式1.2 中PM為電機(jī)功率，ηB為電池充放電效率，取為90%。ηi為48V 能量轉(zhuǎn)換效率，取為95%。帶入計算可得，PB≥1.17kW。

衡量電池儲存能量能力的一個重要指標(biāo)就是電池容量。用公式可以表達(dá)為：

式1.3 中Imax為電池最大輸出電流，可以根據(jù)電池功率計算出。T 為電機(jī)助力時間，根據(jù)上文的電機(jī)參數(shù)，48V 電機(jī)可以支持在峰值功率下進(jìn)行10s 的助力。N 為電機(jī)助力次數(shù)，這里取10，帶入計算可得，C≥6.8Ah。

在比較市面上的所有48V 電池產(chǎn)品后，確定選取某一款48V 電池包參數(shù)如下表5 所示。

表5 48V 電池參數(shù)

2 基于模糊控制的48V 系統(tǒng)控制策略設(shè)計

48V 輕混動力系統(tǒng)擁有兩個動力源： 發(fā)動機(jī)和電機(jī)。該系統(tǒng)的目標(biāo)是為了使二者互補(bǔ)工作，利用電機(jī)的動力助推和發(fā)電負(fù)載的雙向性彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)在某些工況下的不足，從而達(dá)到降低油耗、提高駕駛員舒適性等效果[6]。對于該系統(tǒng)而言，最重要的便是制定合適的控制策略，合理區(qū)分工作模式以及分配能量輸出，讓電機(jī)和發(fā)動機(jī)可以盡量以最理想的狀態(tài)協(xié)調(diào)輸出動力，從而使整車達(dá)到最優(yōu)的工作效率和燃油消耗率。

2.1 模糊控制策略基本理論

模糊邏輯控制策略是一種基于模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理的智能型控制方法。該控制在實際應(yīng)用中可以將車輛的關(guān)鍵參數(shù)作為模糊控制器的輸入，在制定相應(yīng)的模糊規(guī)則后，模糊控制器便可以進(jìn)行模糊推理，將計算的結(jié)果解模糊后輸出并執(zhí)行，實現(xiàn)對整車能量管理的實時控制。模糊邏輯控制策略的優(yōu)點是不需要建立完整和詳細(xì)的系統(tǒng)模型，具有較強(qiáng)的適用性，計算速度較快，基本可以滿足整車控制的需要。缺點則是模糊規(guī)則的制定需要依靠豐富的工程經(jīng)驗，如果模糊規(guī)則過于粗糙，或者不匹配實際應(yīng)用的場景，就會大大影響控制的效果[7]。

模糊控制系統(tǒng)一般由四部分組成。第一部分是輸入/ 輸出接口，負(fù)責(zé)處理整個系統(tǒng)的輸入和輸出，將外部信號以及控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)能夠識別的信號作為輸入，再將控制系統(tǒng)輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的信號輸出給受控對象。第二部分是受控對象，一般可分為線性和非線性兩大類。由于現(xiàn)實中遇到的大部分問題的受控對象可能都無法用精確的模型來模擬，因此模糊控制憑借其良好的控制效果，在實際運用中的受控對象所涉及的領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，如機(jī)械、航天、生物行業(yè)等。第三部分是模糊控制系統(tǒng)的核心——模糊控制器。模糊控制器需要對輸入信號進(jìn)行模糊集合處理、制定合適的模糊規(guī)則、進(jìn)行模糊推理、對模糊規(guī)則輸出的控制結(jié)果做解模糊處理，得出最終的控制結(jié)論。第四部分是傳感器，可以將受控對象的物理狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑦M(jìn)行實時反饋給模糊控制系統(tǒng)，系統(tǒng)再對控制效果進(jìn)行修正，形成完整的閉環(huán)控制。因此傳感器的精度也會影響整個控制系統(tǒng)的控制精度。在實際應(yīng)用中，一般會選擇高精度的傳感器。

基于以上基本結(jié)構(gòu)，模糊控制的整體控制過程可以用下圖4 進(jìn)行表示。

圖4 模糊控制過程

2.2 48V 輕混動力系統(tǒng)工作模式

在制定控制策略之前，需要先對48V 輕混動力系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行分析。

（1）48V 電機(jī)啟停模式

P0 結(jié)構(gòu)的48V BSG 電機(jī)具備啟動和發(fā)電一體的功能。48V BSG 電機(jī)具備較大的功率，因此可以支持拖動發(fā)動機(jī)到較高轉(zhuǎn)速進(jìn)行啟動，獲得更好的啟動曲線，減少啟動噪音，主要應(yīng)用于自動啟停場景。

（2）發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動模式

發(fā)動機(jī)啟動后，若汽車處于小油門的常規(guī)中高速行駛，且48V 蓄電池電量較高無需充電，此時整車的需求功率較小，發(fā)動機(jī)在高效區(qū)間運行。在該工況下，發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動，48V BSG 電機(jī)隨皮帶空載運行，既不輸出轉(zhuǎn)矩，也不作為負(fù)載。

（3）混合驅(qū)動模式

當(dāng)車輛進(jìn)行加速或者爬坡等高負(fù)荷工況時，若來自于整車的需求轉(zhuǎn)矩超過了發(fā)動機(jī)的最佳扭矩甚至最大扭矩，且48V 電池電量高于一定的門限值，此時48V BSG 電機(jī)也輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，為發(fā)動機(jī)提供一定的動力輔助，從而讓發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩回落至高效率的運行區(qū)間，以達(dá)到降低油耗的目的。需要注意的是，由于48V 電池總電量較小，因此無法長時間持續(xù)的進(jìn)行轉(zhuǎn)矩輸出。在48V 電池電量低于一定的門限值后，則會退出混合驅(qū)動模式，繼續(xù)由發(fā)動機(jī)單獨進(jìn)行動力輸出。

（4）行車充電模式

當(dāng)車輛處于低速行駛等整車需求功率較小的工況時，根據(jù)汽油發(fā)動機(jī)的萬有特性，此時發(fā)動機(jī)工作于低效區(qū)，油耗較高。此時48V BSG 電機(jī)可以作為負(fù)載，在向48V 電池進(jìn)行充電的同時也可以提升發(fā)動機(jī)載荷，使發(fā)動機(jī)趨向于高效區(qū)運行，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。需要注意的是，為了避免48V 電池的過充，在48V 電池電量高于一定閾值后，便需要退出行車充電模式，48V 電機(jī)回到空載運行。

（5）制動能量回收模式

當(dāng)車輛進(jìn)行制動時，48V 電機(jī)可以作為負(fù)載，在輔助發(fā)動機(jī)反拖、提供一定制動力的同時，將能量回收給48V 電池進(jìn)行充電，從而節(jié)省一些整車制動帶來的的能量損失，提高整車效率。

（6）12V 啟動機(jī)備用啟動模式

值得注意的是，在本文研究所設(shè)計的48V 輕混動力系統(tǒng)中，仍保留12V 傳統(tǒng)啟動機(jī)及12V 蓄電池。其目的是為了作為備用啟動方式，確保在48V電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障等異常時候，仍然保證可以啟動發(fā)動機(jī)，使車輛能夠運行直至維修點。

2.3 48V 輕混動力系統(tǒng)雙模糊控制策略

基于對48V 輕混動力系統(tǒng)工作模式的分析，可以將車輛運行狀態(tài)分為兩種場景，即驅(qū)動和制動。因此設(shè)定48V 系統(tǒng)的控制目標(biāo)為在驅(qū)動和制動兩種場景下，優(yōu)化整車能量的分配以提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。本研究采用雙模糊控制策略，即分別設(shè)計驅(qū)動模糊控制和制動模糊控制。

對于驅(qū)動模糊控制而言，其主要輸入為來自整車的驅(qū)動需求轉(zhuǎn)矩以及48V 電池SOC，通過識別整車實時運行工況，動態(tài)分配整車能量，輸出使發(fā)動機(jī)高效運轉(zhuǎn)的48V 電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

對于制動模糊控制而言，其主要輸入為來自整車的需求制動強(qiáng)度，當(dāng)前車速，以及48V 電池SOC。通過對整車制動力的計算，輸出48V 電機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)矩，即作為負(fù)載向48V 電池充電?；谀：刂频?8V控制策略包含驅(qū)動模糊控制和制動模糊控制。其基本原理如圖5 所示。

圖5 48V 系統(tǒng)雙模糊控制策略原理

2.3.1 驅(qū)動模糊控制器

驅(qū)動模糊控制器的目標(biāo)是以為駕駛員總需求轉(zhuǎn)矩和48V 電池SOC 為輸入，合理分配發(fā)動機(jī)和48V電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。

駕駛員總需求轉(zhuǎn)矩可以直觀的反應(yīng)駕駛員意圖。根據(jù)發(fā)動機(jī)外特性曲線，在不同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩輸出也不同。最大轉(zhuǎn)矩輸出表示了發(fā)動機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下動力輸出的上限，而對于發(fā)動機(jī)驅(qū)動控制的核心則是將發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)區(qū)間盡量靠近發(fā)動機(jī)萬有特性的最優(yōu)區(qū)間。因此在設(shè)計驅(qū)動模糊控制器時，實際使用駕駛員驅(qū)動需求轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩之比QT 作為輸入，能夠更為精確的表示駕駛員需求。

48V 電池SOC 是判斷模式切換的核心依據(jù)，電量的多少將直接決定電機(jī)的工作狀態(tài)，因此整體的控制策略需要保證48V 電池SOC 的動態(tài)平衡。

駕駛員的總需求轉(zhuǎn)矩需要最終被合理分配到發(fā)動機(jī)與電機(jī)進(jìn)行執(zhí)行，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出應(yīng)當(dāng)輔助發(fā)動機(jī)運行至最優(yōu)工作區(qū)間。實際將電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩的分配系數(shù)QE 作為驅(qū)動模糊控制器的輸出，再經(jīng)進(jìn)一步計算轉(zhuǎn)換作為電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩。在制定模糊控制規(guī)則時需要遵循以下規(guī)則：

（1）若需求轉(zhuǎn)矩高于發(fā)動機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)進(jìn)入助推模式；

（2）若需求轉(zhuǎn)矩低于發(fā)動機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，則電機(jī)進(jìn)入負(fù)載模式；

（3）若需求轉(zhuǎn)矩適中，則電機(jī)進(jìn)入空載模式；

（4）若48V 電池SOC 較低，則電機(jī)強(qiáng)制進(jìn)入負(fù)載模式請求發(fā)電；

（5）若48V 電池SOC 較高，則電機(jī)允許進(jìn)入助推模式進(jìn)行助力；

在MATLAB Simulink 中使用模糊控制器工具箱，根據(jù)已確定的輸入和輸出，制定模糊控制規(guī)則，建立相應(yīng)的驅(qū)動模糊控制器并輸出模糊規(guī)則曲面圖如圖6 所示。在該曲面圖中，依據(jù)發(fā)動機(jī)特性設(shè)定需求轉(zhuǎn)矩與最優(yōu)轉(zhuǎn)矩之比QT 的范圍區(qū)間為[0,1.5]，按照電量大小設(shè)定48V 電池SOC 電量范圍區(qū)間為[0,1]，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)QE 范圍區(qū)間為[-1,1]。通過該曲面圖可以直觀的看出上述設(shè)定的驅(qū)動模糊規(guī)則對于電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)的影響，例如若電池SOC 較高且需求轉(zhuǎn)矩高于發(fā)動機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩（QT＞1），則輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)QE＞0，即電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩助推。

圖6 驅(qū)動模糊控制器Simulink 模型

2.3.2 制動模糊控制器

制動模糊控制器的主要目標(biāo)是在確保滿足整車制動力需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)車速V、48V 電池SOC、制動強(qiáng)度Z 的輸入，確定合適的制動能量回收轉(zhuǎn)矩。

制動強(qiáng)度和車速決定了制動時總制動力的大小，48V 電池SOC 則是決定是否進(jìn)行制動能量回收的重要依據(jù)。因此選取以上三個變量作為制動模糊控制器的輸入。

制動模糊控制器的輸出是制動能量回收轉(zhuǎn)矩，并給到電機(jī)執(zhí)行，從而可以實現(xiàn)將制動過程中原本會轉(zhuǎn)化為熱能損失掉的能量，回收給48V 電池充電并以電能的形式儲存。本研究中用制動能量回收轉(zhuǎn)矩與當(dāng)前車速和制動強(qiáng)度下的最大需求制動轉(zhuǎn)矩之比β 來表示電機(jī)制動回收轉(zhuǎn)矩的大小。

制定模糊控制規(guī)則時主要需要遵循以下規(guī)則：

（1）若制動強(qiáng)度越小則制動能量回收轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)越大；

（2）若制動強(qiáng)度很大時，可能處于緊急制動，此時需要考慮制動響應(yīng)速度優(yōu)先，只進(jìn)行摩擦制動；

（3）若48V 電池SOC 極高時，此時電池?zé)o需充電，只進(jìn)行摩擦制動

（4）若48V 電池SOC 較低時，此時優(yōu)先進(jìn)行制動能量回收，若電機(jī)提供不了足夠的制動力再進(jìn)行摩擦制動。

（4）若車速越大則制動能量回收轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)越大；

（5）若車速很高時，此時需要優(yōu)先考慮制動安全，只進(jìn)行摩擦制動。

在MATLAB Simulink 中使用模糊控制器工具箱，根據(jù)已確定的輸入和輸出，制定模糊控制規(guī)則，建立相應(yīng)的制動模糊控制器，其模糊規(guī)則曲面圖如圖7 所示。在該曲面圖中，車速V 范圍區(qū)間定義為[0,180]，48V 電池SOC 電量范圍區(qū)間定義為[0,1]，制動強(qiáng)度范圍區(qū)間定義為[0,1]，制動能量回收轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)β 范圍區(qū)間定義為[0,1]。通過該曲面圖可以直觀的看出上述設(shè)定的制動模糊規(guī)則對于電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)的影響，如車速V 越高則能量回收轉(zhuǎn)矩比例系數(shù)β 越大等。

圖7 制動模糊控制器Simulink 模型

2.3.3 48V 控制策略模型

使用MATLAB Simulink 搭建48V 輕混動力系統(tǒng)控制策略模型，如圖8 所示。主要包括整車驅(qū)動需求轉(zhuǎn)矩計算模塊、整車制動需求轉(zhuǎn)矩計算模塊、48V雙模糊控制模塊。該模型的輸入為發(fā)動機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)速、48V 電池SOC、加速踏板開度、車速、制動踏板開度、車輛縱向加速度、整車質(zhì)量、變速箱傳動比，輸出為分配后的電機(jī)和發(fā)動機(jī)需求轉(zhuǎn)矩。

圖8 48V 輕混動力系統(tǒng)控制策略模型

3 基于整車模型的WLTC 循環(huán)油耗仿真

2021 年2 月20 日，我國工業(yè)和信息化部組織制定的 《乘用車燃料消耗量限值》 強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)（GB19578-2021），由國家市場監(jiān)督管理總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布，并于2021 年7 月1 日實施。新發(fā)布的《乘用車燃料消耗量限值》中規(guī)定了汽油、柴油、兩用燃料以及雙燃料車輛的燃料消耗應(yīng)按GB/T19233、采用全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)WLTC（Worldwide Light-duty Test Cycle）進(jìn)行測定[8]。

WLTC 循環(huán)由四個部分組成：低速、中速、高速和超高速?？傞L度23.25km，總運行時間1800 秒。循環(huán)最高速131km/h。WLTC 循環(huán)的特點是車速波動大，且沒有規(guī)律性，屬于瞬態(tài)工況的范疇。

為了探究本文研究制定的48V 模糊控制策略在WLTC 循環(huán)工況下的油耗表現(xiàn)，使用AVL CRUISE 軟件分別搭建傳統(tǒng)燃油車輛模型和48V P0輕混動力車輛模型。

3.1 整車模型

對于傳統(tǒng)燃油車輛模型的搭建首先需要選取必要的模塊，如車輛模塊、發(fā)動機(jī)模塊、駕駛員中控模塊、AMT 變速箱及控制單元模塊、離合器模塊、主減速器模塊、差速器模塊、制動器模塊、車輪模塊等，拖動至建模界面，并按照車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列。對于48V車輛模型還需要選取電機(jī)、電池、帶傳動模塊，以及將編譯后的MATLAB Simulink 控制策略模型DLL文件加載至車輛模型。

整車基本的部件模塊選取完畢后，需要對各個部件模塊進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置。依次將各部件模塊的參數(shù)配置完成后，最后需要對各模塊進(jìn)行連接，包括機(jī)械連接和電氣信號連接兩部分。需要確保部分關(guān)鍵電氣信號的正確連接，否則車輛模型無法正常運行。搭建完成的整車模型如圖9 和圖10 所示。

圖9 傳統(tǒng)燃油車輛模型

圖10 P0 結(jié)構(gòu)48V 輕混動力車輛模型

3.2 WLTC 循環(huán)仿真及結(jié)果分析

在AVL CRUISE 中設(shè)定WLTC 循環(huán)工況任務(wù)，分別對傳統(tǒng)燃油車輛模型和48V 輕混車輛模型進(jìn)行WLTC 循環(huán)仿真，油耗結(jié)果如表6 所示。

WLTC 循環(huán)仿真數(shù)據(jù)記錄如圖11 所示。

圖11 WLTC 循環(huán)數(shù)據(jù)記錄

從WLTC 循環(huán)數(shù)據(jù)可以看出，48V 電池SOC 在整體的循環(huán)過程中隨著電機(jī)助力、能量回收的模式切換進(jìn)行動態(tài)變化，表明48V 電池持續(xù)進(jìn)行動態(tài)的充放電。而在循環(huán)起始與結(jié)束時的電池SOC 變化保持在10%以內(nèi)。因此本文設(shè)計的48V 控制策略可以基本保證48V 電池SOC 的動態(tài)平衡。48V BSG 電機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩由48V 控制策略直接輸出，從數(shù)據(jù)上可以看出電機(jī)的工作狀態(tài)隨著正負(fù)需求轉(zhuǎn)矩的切換而在助力和發(fā)電的狀態(tài)之間進(jìn)行切換。48V 控制策略在車輛需要較大的車速提升時會計算出正轉(zhuǎn)矩使電機(jī)進(jìn)行助力，在車輛制動時計算出負(fù)轉(zhuǎn)矩使電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而在車輛勻速行駛的穩(wěn)態(tài)工況下會輸出0 轉(zhuǎn)矩使電機(jī)進(jìn)入空載模式。最終的循環(huán)油耗結(jié)果證明搭載48V P0 輕混動力系統(tǒng)可以給傳統(tǒng)燃油車輛帶來11.2%的節(jié)油率，效果良好。

4 結(jié)論及展望

本文開發(fā)設(shè)計了一種基于模糊控制的P0 結(jié)構(gòu)48V 輕混動力系統(tǒng)，通過搭建Simulink 控制模型及與AVL CRUISE 中建立的整車模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析了P0 結(jié)構(gòu)48V 系統(tǒng)在WLTC 循環(huán)工況下對于整車燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，搭載48V P0 輕混動力系統(tǒng)的車輛相較傳統(tǒng)燃油車輛可以實現(xiàn)11.2%的節(jié)油率。因此采用P0 結(jié)構(gòu)的48V 輕混動力系統(tǒng)可以以較低的成本實現(xiàn)較為理想的節(jié)油效果，“性價比”很高，具有較高的工程實際應(yīng)用價值。本文的研究雖然取得了初步的成果，但依然還有許多有待進(jìn)一步深入研究的地方。首先，P0 結(jié)構(gòu)48V的輕混動力系統(tǒng)在成本和節(jié)油率方面雖然具備較高的“性價比”，但隨著我國相關(guān)法規(guī)的不斷加嚴(yán)，該單一混動結(jié)構(gòu)的實際節(jié)油效果很難達(dá)到足以滿足法規(guī)的燃油消耗水平。因此后續(xù)還可以繼續(xù)探索P0 結(jié)構(gòu)與其他混動結(jié)構(gòu)的組合，諸如“P0+P3”、“P0+P4”等，以達(dá)到更為理想的節(jié)油效果。

其次，本文研究采用的模糊控制策略著重探討了模糊控制器的設(shè)計，在將來進(jìn)一步的研究中可以繼續(xù)尋求對于控制效果的優(yōu)化，例如利用優(yōu)化算法對輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化，以及結(jié)合PID 控制方法對輸出參數(shù)形成閉環(huán)控制等。

最后，本文從理論和仿真的層面對P0 結(jié)構(gòu)48V 輕混動力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和驗證，沒有基于實際的車輛和試驗設(shè)備進(jìn)行測試驗證。在將來對48V 系統(tǒng)做進(jìn)一步的性能優(yōu)化的研究中，基于實際車輛的測試驗證是由理論研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。