48 V起动发电一体式电机提升发动机排温的试验研究

孙山峰，谢 辉，耿宗起，左 兰，陈秀梅

(1.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2.潍柴动力股份有限公司，潍坊 261061)

0 概述

48 V微混技术被认为是一种高性价比的技术方案。采用P0结构，可在发动机改动较小的情况下，实现发动机快速起动、制动能量回收、加速助力、主动发电及稳态工况转移等功能，并获得一定的降油耗效果。因此，在乘用车领域，起动发电一体式电机(belt-driven starter generator, BSG)得到广泛的研究与应用[1-5]。

乘用车及N1类轻型汽车采用全球轻型车测试循环(world light-duty test cycle， WLTC)时冷起动阶段排气温度较低，不满足后处理系统起燃条件，尾气排放较高。文献[6]中对某1.4 L增压汽油机的研究表明，冷起动阶段的排放污染物占整个WLTC排放总量的70%以上，因此冷起动阶段的排放控制尤为关键。为缓解冷起动阶段排气污染物高的问题，当前主要的技术手段是通过调整柴油机喷油提前角、汽油机和气体机的点火提前角，配合进气节流阀或排气节流阀等技术手段，缩短冷起动阶段的持续时间，快速提升排气温度至后处理系统起燃温度。

本研究基于48 V BSG系统，开发了BSG电机在WLTC中的控制策略，并基于整车轮毂试验研究了BSG电机提升发动机排温的能力。

1 48 V BSG 系统

48 V BSG系统在整车原有12 V电路基础上增加48 V电池、48 V BSG电机及直流电(direct current， DC)转换器等48 V电路器件。

本文中所研究的48 V BSG系统采用P0结构，如图1所示[3]。BSG电机通过皮带与发动机前端曲轴轮系相连，传动比为3.2。BSG电机通过逆变器与 48 V 电池相连，48 V电池和12 V电池之间通过 DC/DC 转换器实现电压变换。

图1 48 V BSG系统拓扑图

2 48 V BSG系统控制策略

2.1 控制策略

48 V BSG系统可实现功能如下：(1) 快速起动功能，即在车辆等待红灯或短时间停车时发动机自动停机，取代原来怠速工况状态，节省发动机怠速下油耗，并解决怠速工况期间的排放问题。当有行车意图时，控制器控制BSG电机自动快速起动发动机。(2) 制动能量回收功能，即当整车处于滑行状态或制动状态时，BSG电机以发电模式工作，将机械能转换为电能并传输给电池存储，实现制动能量回收。(3) 加速助力功能，即在整车突然加大油门快速加速时，BSG电机与发动机共同输出转矩，增强整车动力性。配置传统发动机的整车在低速突然加速时，转矩响应相对较慢，从而限制了整车加速性能；应用BSG电机助力后，可提高转矩响应速度，提升整车加速性能。(4) 主动发电功能，即在整车运行过程中，当电池电量低于设定值且BSG电机未处于制动能量回收模式时，控制器控制BSG电机以发电模式运行，为电池充电。主动发电模式下，发动机输出转矩需同时满足整车运行的转矩需求和BSG电机运行发电模式的转矩需求。(5) 稳态工况转移功能，即当整车处于稳定运行状态时，基于降低油耗的原则，对整车转矩需求进行合理分配，通过BSG电机的正、负转矩调整发动机运行工况点，使发动机尽可能地运行在最佳油耗区内。

2.2 排温控制策略

通过分析48 V BSG系统可实现的功能，本文中研究了一种在WLTC过程中提升排气温度的控制策略。该策略可分为WLTC冷起动阶段提升排温及怠速阶段后处理保温两部分。

2.2.1 冷起动阶段排温提升策略

整车首次起动时，后处理系统温度较低。一方面尿素在低温时无法水解为氨气，另一方面催化剂在低温时催化效果差，此阶段尿素喷射系统不工作，无法起到降低NOx排放的作用。因此，在冷起动的前 600 s 采用主动发电模式，BSG电机向发动机提供适宜的负转矩，发动机相应提升总功率，以保证飞轮输出功率不变。更高的总功率使得排气流量和排气温度更高，提高的排气能量加速了后处理装置的升温过程，尿素喷射得以更早开始。

主动发电控制策略触发条件包括“触发主动发电模式”和“退出主动发电模式”两部分。当满足电池荷电状态(state of charge, SOC)低于设定值且系统无故障，涡轮后排气温度低于设定值(本试验选用SCR系统尿素起燃温度200 ℃)，无其他更高优先级的功能请求(如系统请求起停或加速助力则优先触发快速起动功能和加速助力功能)时，则触发主动发电模式；当涡轮后排气温度满足SCR系统起燃温度要求时，退出主动发电模式。

主动发电模式时，BSG电机转矩TBSG采用SOC修正因子进行计算：

TBSG=f×Tmax

(1)

式中，f为SOC修正因子；Tmax为当前转速BSG电机允许的最大工作转矩，N·m。

(2)

当前转速BSG电机允许的最大工作转矩(Tmax)通过BSG电机的转速-转矩曲线查表得到。

2.2.2 怠速阶段后处理保温策略

BSG电机具备快速起动功能，因此在WLTC的怠速工况可以关闭发动机[7]。冷起动阶段的怠速工况时发动机排气温度低于后处理载体温度，低温排气流经后处理系统会导致载体温度下降。怠速工况关闭发动机，后处理系统管路内部无低温排气流，可以缓和后处理温度降低现象，起到保温作用。

发动机自动关闭控制策略需同时满足多个条件才能触发，如： 油门踏板行程为零，车速为零，挡位为空挡，拉起手刹，且整车48 V电路连通，电机电池无故障，电池SOC充足及发动机水温大于设定值等。

发动机快速起动控制策略触发条件为：当发动机处于自动关闭状态时，若此时同时满足离合器打开或空挡、松开手刹并踩下制动踏板等条件时，控制器响应发动机起动需求，控制BSG电机快速起动发动机。

3 48 V BSG系统Cruise仿真分析

3.1 模型参数

应用Simulink实现48 V BSG系统的控制策略，并将控制模型生成可用于Cruise软件的代码；应用Cruise模型搭建48 V整车模型，验证基于排温控制策略的48 V BSG系统的提升发动机排温的能力[8-11]，如图2所示。

图2 48 V BSG系统Cruise仿真模型简图

本研究中48 V BSG系统基于配置2.5 L柴油机的皮卡车型，整车参数如表1所示。BSG电机参数如表2所示。48 V电池参数如表3所示。

表1 整车技术参数

表2 BSG电机技术参数

表3 48 V电池技术参数

3.2 仿真结果分析

WLTC根据车速划分为低速段(low)、中速段(medium)、高速段(high)和超高速段(extra high)4个部分，持续时间共1 800 s。其中低速段的持续时间为589 s，中速段的持续时间为433 s，高速段的持续时间为455 s，超高速段的持续时间为323 s[12]。

仿真数据选取了WLTC的前600 s进行分析，涵盖整个低速段和部分中速段，整车车速相对较低，且包含3次怠速工况，分别是：第99 s到第137 s，怠速时长39 s；第445 s到第511 s，怠速时长67 s；第567 s到第600 s，怠速时长34 s。

图3为48 V BSG系统对排温提升效果的Cruise仿真结果。在WLTC开始前98 s的低速阶段，由于BSG电机对发动机施加了负转矩，在保证飞轮端输出功率不变的条件下增加了发动机总功率，因此排温相比于无BSG系统有了明显提升。在WLTC 99 s到137 s的怠速阶段，配置BSG系统的整车触发了快速起动功能，由于无低温排气流动，涡前排温的下降趋势明显降低。在WLTC的138 s到444 s阶段，由于SOC水平较高，BSG电机仅在部分工况下对发动机施加0～7 N·m的负转矩，配置BSG系统的发动机涡前排温明显高于无BSG系统的发动机涡前排温。在WLTC的445 s到511 s的怠速阶段，配置BSG系统的整车也触发了快速起动功能，涡前排温的下降趋势也明显降低。

图3 48 V BSG系统Cruise排温提升仿真结果

通过仿真结果分析可以得出，在主动发电功能和快速起动功能的作用下，配置BSG系统的整车可以有效提升发动机涡前温度，冷起动阶段排温提升策略和怠速阶段后处理保温策略是有效的。

4 实车测试与结果分析

4.1 试验装置

试验时，对柴油机进行了改造，BSG电机选用P0结构配置。改装前后的柴油机分别安装到整车上，在转毂试验台上进行WLTC测试，在增压器后、后处理系统前的排气总管上安装排温传感器，测量涡后排温；利用AVL 735油耗仪实时记录瞬态油耗。试验仪器及设备见表4，柴油机主要技术规格见表5。

表4 试验设备与仪器

表5 试验用柴油机主要技术规格

4.2 试验结果与分析

4.2.1 电机转矩分析

BSG电机通过皮带连接在发动机曲轴上，因此发动机飞轮输出的转矩包括由燃油燃烧产生的曲轴转矩和由BSG电机产生的电机转矩。

BSG电机在提供负转矩发电时，较多的电能存储在48 V电池中，电池的SOC不断上涨，为了维持SOC平衡，本循环600 s以后利用BSG的助力功能，不断消耗电池的电能，在维持SOC平衡的同时节省发动机的油耗。此外，这个阶段产生的电能可以供给整车用电器使用，如发动机电控配附件、整车灯光和电器娱乐系统等。

图4为WLTC测试过程中电机转矩的加载曲线。在WLTC前600 s开启BSG加热模式，BSG电机向发动机输出负转矩，提高发动机总功率，进而提升排气温度；WLTC 600 s以后关闭BSG加热模式，此时主要起作用的是快速起动功能、加速助力功能和制动能量回收功能。

图4 WLTC测试过程中电机转矩曲线

4.2.2 WLTC排温提升效果分析

BSG系统对发动机排气温度的影响主要来源于两个功能：一是在WLTC起始阶段，BSG电机可增加发动机运行的负荷，使发动机以较大的转矩运行，从而获取更高的排气能量，提升排气温度。转矩提升的幅度主要取决于BSG电机的最大发电转矩、BSG电机与发动机的转速比和电池剩余容量。另一个对排气温度影响较大的功能是发动机起停，依赖于BSG电机的快速起动功能，在怠速工况可将发动机关闭。图5为带BSG和无BSG两种条件下，WLTC发动机涡后排温曲线图。如图5中方框标识处所示，相比于无BSG系统，怠速工况停机使得排气温度下降幅度明显降低，保温效果明显。

图5 BSG排温提升效果对比图

轮毂试验结果显示，对比BSG作用前后的WLTC前600 s排气温度，平均排温由139 ℃提升至161 ℃，尿素喷射放行时间提前了约130 s。

4.2.3 WLTC油耗分析

48 V BSG系统的引入增加了控制的灵活度，快速起动功能、制动能量回收功能、加速助力功能可有效降低油耗[13-14]。图6为BSG对油耗的影响。如图6所示，在WLTC循环的前600 s，控制策略采用后处理加热模式，BSG电机根据需求向发动机输出负转矩，从而提升发动机总功率，发动机瞬时油耗稍有增加。在WLTC循环的600 s以后阶段，BSG电机主要用作快速起动、加速助力和制动能量回收。此阶段由于加速助力消耗了电池电能，电池SOC下降较多，触发了主动发电功能，BSG电机发电时，瞬时油耗略微上升；而在起停阶段和制动能量回收阶段，发动机瞬时油耗明显下降。未配置48 V BSG系统的WLTC循环总油耗为1 695.5 g，配置48 V BSG系统的WLTC循环总油耗为1 656.1 g，循环起始阶段SOC约为60%，结束时的SOC约为45%，在SOC降低15%的条件下，总油耗降低约2.4%。

图6 BSG对油耗的影响对比图

试验时，未在试验台上测量将SOC恢复到初始状态所需油量。按照GB/T 19754—2015《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》规定算法[15]，未配置48 V BSG系统的WLTC总燃料驱动能量为 7.088 kW·h；配置48 V BSG系统的WLTC循环总燃料驱动能量为6.923 kW·h。本试验所用48 V锂电池容量8 Ah，恢复15% SOC所需电量为0.058 kW·h，则可认为在SOC保持不变的条件下，配置48 V BSG系统的WLTC总燃料驱动能量为6.981 kW·h，总能量消耗下降1.5%。

5 结论

(1) 采用48 V BSG电机改造后的柴油机，在整车轮毂试验台进行WLTC测试时，BSG系统的后处理加热功能可以借助对发动机输出负转矩的手段实现，用于提高排温；快速起动功能可以辅助后处理保温。

(2) 轮毂试验结果显示，BSG作用前后的WLTC循环前600 s排气温度平均值由139 ℃提升至161 ℃，尿素喷射开始时间提前了约130 s。

(3) 在SOC降低15%的条件下，采用BSG系统后WLTC总油耗下降约2.4%。按照GB/T 19754—2015《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》规定算法，在SOC保持不变的条件下，配置48 V BSG系统的WLTC循环总燃料驱动能量下降1.5%。