48VP0 轻混动力系统模糊控制策略设计及油耗仿真

张新典

（同济大学,上海 201804）

随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，汽车作为一种重要的交通工具给人们提供了出行的便利，因而全世界范围内的汽车产销量也在不断的增长。以中国市场为例，根据公安部交通管理局的统计，2022 年全国机动车保有量达4.17 亿辆，其中汽车3.19 亿辆。逐年增长的汽车保有量不仅加剧了石油资源短缺的问题，也加剧了环境污染问题。因此对低油耗低排放的新型汽车的研究已成为汽车工业当前的重要课题。

为了降低能源消耗及排放，自2005 年起，中国便开始实行乘用车油耗限值标准，即要求所有在中国市场销售的车型应满足对应的油耗限值[1]。2019 年，国家发布了第五阶段《乘用车燃料消耗量限值》标准，于2021 年7 月1 日正式实行。该标准要求车企不断提高节油技术，在2025 年普通家用车要达到4L/ 百公里水平。尽管目前传统汽油内燃机的热效率最高已经可以达到47%，但基于目前的基础材料及技术水平限制，内燃机热效率已经很难再有阶跃性的提升，因此只靠传统内燃机的发展来满足最新的油耗限值标准基本是不现实的。发展新能源汽车已经成为各车企的头号任务。0 排放的纯电动汽车固然是较为理想的方案，但受限于当前的电池材料及技术发展，纯电动汽车仍具有成本偏高、续航能力有限、充电时间长等关键性痛点。因此兼具传统燃油汽车续航能力与电动汽车低油耗低排放的混合动力汽车将在未来很长一段时间内成为各车企的主流发展选择。

除了对排放和燃油消耗的严格限制，现代汽车的另一个发展趋势是智能化与电气化。除了满足基本的驾驶，人们也要求更多的舒适性与智能性功能。这也意味着对汽车功率的需求越来越高。汽车当前的12V 电气系统已经接近了车载用电设备的最高需求功率[2]。例如传统的汽车启停技术，在12V蓄电池的供电电压下，如果发动机停机，则无法满足空调压缩机的额定功率，这意味着整车进入启停状态的时候，空调无法工作。因此整车电气系统再次面临升级，48V 电气系统则是一种优秀的解决方案。48V 电压结构的最高充电电压为60V，这也是无防护的人体安全直流电压的最高标准限值，因此在整车应用时无需考虑和设计额外的高压防护措施，同时也可以满足现代汽车智能化的高功率用电设备的需求。

48V 电气系统和混合动力结构的组合具有很多优势。

（1）成本更低。与高压轻度混合动力汽车相比，采用48V 电压的混合汽车成本只有前者的30%，但可以实现其70%的功效。应用汽油或柴油发动机的48V 轻度混合动力汽车，可将二氧化碳排放量减少10%以上，并通过回收制动能量，在低速情况下，为启停式混动动力汽车提供更大的扭矩。

（2）整车厂可以选用小型发动机来提高燃油效率，但并不影响发动机的性能，额外增加的48V系统体积较小，不会大幅更改原有设计或增加过多重量。

（3）与传统汽车相比，48V 系统可以实现原本由发动机驱动的大功率附件的电气化。如电子空调可以实现发动机停机时空调的正常工作以保证车内乘员舒适性，电子涡轮可以改善传统涡轮增压发动机上的涡轮迟滞现象。这些大功率设备的电气化还可以降低发动机负载，提高发动机热效率。

近十年以来，随着电池材料和性能的发展，在对油耗、排放法规和整车成本的综合考虑下，由锂电池供电的48V 系统作为一种性价比最高的解决方案，各大国际车企及零部件供应商纷纷跟进研究。大众、奥迪和宝马均推出了搭载48V 系统的试制车型，博世、大陆、德尔福等国际知名零部件供应商也纷纷推出了48V 系统和零部件，国内也有诸多汽车厂商推出了搭载了48V 系统的量产车型。此外，调研与市场公司(ResearchandMarkets)在2018 年发布的行业报告中预测，到2025 年全球每年将有1400万辆配备48V 系统的新车投入市场，其中中国市场780 万辆[3]。2018 年至2025 年中国与国外48V 车辆市场预测如图1，因此48V 轻混动力系统具有广泛的市场应用前景。

图1 中国市场和国外市场48V 车辆预测

1 48V P0 轻混动力系统方案设计

1.1 48V P0 轻混动力系统的结构与特点

根据电机相对于传统动力系统的位置，可以把单电机混动方案分为五大类，如图1，分别以P0,P1,P2,P3,P4 命名，这也是目前行业内较为主流的混合动力系统分类方式[4]。

不同的混合动力系统结构根据其机械特性，所能够支持的功能也有所区别。这几种方案的对比分析如下表1 所示。

表1 不同混动结构方案的功能及成本

从对比分析可以看出，采用P0 结构的48V 轻混动力系统可以以很低的成本实现较为理想的节油效果，“性价比”很高，工程实际应用价值较高。该结构的48V 电机位于发动机前端，通常采用启发一体式带传动电机（BSG），通过皮带与发动机曲轴相连。其优势为对传统整车结构的改动最小，只需要将常规发电机替换为48V 电机，并可以取消起动机，对整车制造企业来说可以与传统车型共用生产线，大大节省成本。另外电机与发动机直接相连，可以实现启停、助力、能量回收等功能。但缺点为受限于皮带传动效率，能量损耗较大，且容易打滑，无法承受较大的转矩输出，因此只能进行有限的助力和能量回收。由于电机与发动机一直相连接，无法支持纯电行驶模式。

48V P0 轻混动力系统在整车电气结构方面仍然保留传统的12V 电气系统，如图2 所示。若仅保留48V 系统，则会要求整车上所有负载电气设备都进行重新设计和开发，成本过高。因此目前的过渡阶段常采用12V/48V 双电气系统[5]。

图2 单电机混合动力系统分类

图3 12V/48V 双电气系统架构

1.2 48V P0 轻混动力系统关键零部件参数

由于P0 结构的48V 轻混动力系统可以直接基于传统燃油车辆结构进行改造，选取市面某款传统燃油车辆的基本参数如下表2。

表2 传统燃油乘用车基本参数

发动机的基本参数如下表3。

表3 汽油发动机基本参数

由于本文的研究对象为P0 结构的48V 轻混系统，48V 电机提供的辅助驱动功率相对有限，主要承担的作用是起动发动机和一定程度的转矩助推。因此其功率应同时满足起动时的需求功率P1和转矩助推的需求功率P2。

（1）48V 电机在起动时可以将发动机拖至怠速转速，从而优化起动型线和降低起动震动和噪音。此时的需求功率P1可以用公式表示为：

式1.1 中Tn 为起动阻力矩，n 为目标怠速转速。查询资料可知，该型号发动机在零下30 摄氏度时的起动阻力矩为50.15Nm，怠速目标转速为1200rpm。代入数据可以计算出，P1=6.30kw。

（2）P0 结构的48V 电机需要支持在发动机驱动的时候，进行一定的动力辅助，此时的输出功率为P2。考虑到带传动的打滑问题以及电机能力，需要电机支持在2500rpm 时输出40Nm 的助推转矩。根据上文公式计算可得，P2=10.47kw。

因此在比较市面上的所有48V 电机产品后，确定选取某一款48V 电机参数如下表4 所示。

表4 48V 电机参数

在48V 电机的参数确定之后，另一个需要确定参数的重要零部件就是48V 电池。作为48V 系统所有功能的能量来源，在考虑到充放电效率以及48V/12V 能量转换效率，48V 电池的需求功率应当满足：

式1.2 中PM为电机功率，ηB为电池充放电效率，取为90%。ηi为48V 能量转换效率，取为95%。带入计算可得，PB≥1.17kW。

衡量电池储存能量能力的一个重要指标就是电池容量。用公式可以表达为：

式1.3 中Imax为电池最大输出电流，可以根据电池功率计算出。T 为电机助力时间，根据上文的电机参数，48V 电机可以支持在峰值功率下进行10s 的助力。N 为电机助力次数，这里取10，带入计算可得，C≥6.8Ah。

在比较市面上的所有48V 电池产品后，确定选取某一款48V 电池包参数如下表5 所示。

表5 48V 电池参数

2 基于模糊控制的48V 系统控制策略设计

48V 轻混动力系统拥有两个动力源： 发动机和电机。该系统的目标是为了使二者互补工作，利用电机的动力助推和发电负载的双向性弥补发动机在某些工况下的不足，从而达到降低油耗、提高驾驶员舒适性等效果[6]。对于该系统而言，最重要的便是制定合适的控制策略，合理区分工作模式以及分配能量输出，让电机和发动机可以尽量以最理想的状态协调输出动力，从而使整车达到最优的工作效率和燃油消耗率。

2.1 模糊控制策略基本理论

模糊逻辑控制策略是一种基于模糊规则进行模糊推理的智能型控制方法。该控制在实际应用中可以将车辆的关键参数作为模糊控制器的输入，在制定相应的模糊规则后，模糊控制器便可以进行模糊推理，将计算的结果解模糊后输出并执行，实现对整车能量管理的实时控制。模糊逻辑控制策略的优点是不需要建立完整和详细的系统模型，具有较强的适用性，计算速度较快，基本可以满足整车控制的需要。缺点则是模糊规则的制定需要依靠丰富的工程经验，如果模糊规则过于粗糙，或者不匹配实际应用的场景，就会大大影响控制的效果[7]。

模糊控制系统一般由四部分组成。第一部分是输入/ 输出接口，负责处理整个系统的输入和输出，将外部信号以及控制的目标转换成控制系统能够识别的信号作为输入，再将控制系统输出的结果转换成可执行的信号输出给受控对象。第二部分是受控对象，一般可分为线性和非线性两大类。由于现实中遇到的大部分问题的受控对象可能都无法用精确的模型来模拟，因此模糊控制凭借其良好的控制效果，在实际运用中的受控对象所涉及的领域不断扩展，如机械、航天、生物行业等。第三部分是模糊控制系统的核心——模糊控制器。模糊控制器需要对输入信号进行模糊集合处理、制定合适的模糊规则、进行模糊推理、对模糊规则输出的控制结果做解模糊处理，得出最终的控制结论。第四部分是传感器，可以将受控对象的物理状态转变为电信号并进行实时反馈给模糊控制系统，系统再对控制效果进行修正，形成完整的闭环控制。因此传感器的精度也会影响整个控制系统的控制精度。在实际应用中，一般会选择高精度的传感器。

基于以上基本结构，模糊控制的整体控制过程可以用下图4 进行表示。

图4 模糊控制过程

2.2 48V 轻混动力系统工作模式

在制定控制策略之前，需要先对48V 轻混动力系统的工作模式进行分析。

（1）48V 电机启停模式

P0 结构的48V BSG 电机具备启动和发电一体的功能。48V BSG 电机具备较大的功率，因此可以支持拖动发动机到较高转速进行启动，获得更好的启动曲线，减少启动噪音，主要应用于自动启停场景。

（2）发动机单独驱动模式

发动机启动后，若汽车处于小油门的常规中高速行驶，且48V 蓄电池电量较高无需充电，此时整车的需求功率较小，发动机在高效区间运行。在该工况下，发动机单独驱动，48V BSG 电机随皮带空载运行，既不输出转矩，也不作为负载。

（3）混合驱动模式

当车辆进行加速或者爬坡等高负荷工况时，若来自于整车的需求转矩超过了发动机的最佳扭矩甚至最大扭矩，且48V 电池电量高于一定的门限值，此时48V BSG 电机也输出驱动转矩，为发动机提供一定的动力辅助，从而让发动机转矩回落至高效率的运行区间，以达到降低油耗的目的。需要注意的是，由于48V 电池总电量较小，因此无法长时间持续的进行转矩输出。在48V 电池电量低于一定的门限值后，则会退出混合驱动模式，继续由发动机单独进行动力输出。

（4）行车充电模式

当车辆处于低速行驶等整车需求功率较小的工况时，根据汽油发动机的万有特性，此时发动机工作于低效区，油耗较高。此时48V BSG 电机可以作为负载，在向48V 电池进行充电的同时也可以提升发动机载荷，使发动机趋向于高效区运行，从而提高燃油经济性。需要注意的是，为了避免48V 电池的过充，在48V 电池电量高于一定阈值后，便需要退出行车充电模式，48V 电机回到空载运行。

（5）制动能量回收模式

当车辆进行制动时，48V 电机可以作为负载，在辅助发动机反拖、提供一定制动力的同时，将能量回收给48V 电池进行充电，从而节省一些整车制动带来的的能量损失，提高整车效率。

（6）12V 启动机备用启动模式

值得注意的是，在本文研究所设计的48V 轻混动力系统中，仍保留12V 传统启动机及12V 蓄电池。其目的是为了作为备用启动方式，确保在48V电气系统出现故障等异常时候，仍然保证可以启动发动机，使车辆能够运行直至维修点。

2.3 48V 轻混动力系统双模糊控制策略

基于对48V 轻混动力系统工作模式的分析，可以将车辆运行状态分为两种场景，即驱动和制动。因此设定48V 系统的控制目标为在驱动和制动两种场景下，优化整车能量的分配以提高整车燃油经济性。本研究采用双模糊控制策略，即分别设计驱动模糊控制和制动模糊控制。

对于驱动模糊控制而言，其主要输入为来自整车的驱动需求转矩以及48V 电池SOC，通过识别整车实时运行工况，动态分配整车能量，输出使发动机高效运转的48V 电机转矩。

对于制动模糊控制而言，其主要输入为来自整车的需求制动强度，当前车速，以及48V 电池SOC。通过对整车制动力的计算，输出48V 电机负转矩，即作为负载向48V 电池充电。基于模糊控制的48V控制策略包含驱动模糊控制和制动模糊控制。其基本原理如图5 所示。

图5 48V 系统双模糊控制策略原理

2.3.1 驱动模糊控制器

驱动模糊控制器的目标是以为驾驶员总需求转矩和48V 电池SOC 为输入，合理分配发动机和48V电机的转矩输出。

驾驶员总需求转矩可以直观的反应驾驶员意图。根据发动机外特性曲线，在不同转速下，发动机的最大转矩输出也不同。最大转矩输出表示了发动机在当前转速下动力输出的上限，而对于发动机驱动控制的核心则是将发动机运转区间尽量靠近发动机万有特性的最优区间。因此在设计驱动模糊控制器时，实际使用驾驶员驱动需求转矩与发动机最优转矩之比QT 作为输入，能够更为精确的表示驾驶员需求。

48V 电池SOC 是判断模式切换的核心依据，电量的多少将直接决定电机的工作状态，因此整体的控制策略需要保证48V 电池SOC 的动态平衡。

驾驶员的总需求转矩需要最终被合理分配到发动机与电机进行执行，因此电机的转矩输出应当辅助发动机运行至最优工作区间。实际将电机需求转矩的分配系数QE 作为驱动模糊控制器的输出，再经进一步计算转换作为电机需求转矩。在制定模糊控制规则时需要遵循以下规则：

（1）若需求转矩高于发动机最优转矩，则电机进入助推模式；

（2）若需求转矩低于发动机最优转矩，则电机进入负载模式；

（3）若需求转矩适中，则电机进入空载模式；

（4）若48V 电池SOC 较低，则电机强制进入负载模式请求发电；

（5）若48V 电池SOC 较高，则电机允许进入助推模式进行助力；

在MATLAB Simulink 中使用模糊控制器工具箱，根据已确定的输入和输出，制定模糊控制规则，建立相应的驱动模糊控制器并输出模糊规则曲面图如图6 所示。在该曲面图中，依据发动机特性设定需求转矩与最优转矩之比QT 的范围区间为[0,1.5]，按照电量大小设定48V 电池SOC 电量范围区间为[0,1]，设定电机转矩分配系数QE 范围区间为[-1,1]。通过该曲面图可以直观的看出上述设定的驱动模糊规则对于电机转矩分配系数的影响，例如若电池SOC 较高且需求转矩高于发动机最优转矩（QT＞1），则输出电机转矩分配系数QE＞0，即电机进行转矩助推。

图6 驱动模糊控制器Simulink 模型

2.3.2 制动模糊控制器

制动模糊控制器的主要目标是在确保满足整车制动力需求的基础上，根据车速V、48V 电池SOC、制动强度Z 的输入，确定合适的制动能量回收转矩。

制动强度和车速决定了制动时总制动力的大小，48V 电池SOC 则是决定是否进行制动能量回收的重要依据。因此选取以上三个变量作为制动模糊控制器的输入。

制动模糊控制器的输出是制动能量回收转矩，并给到电机执行，从而可以实现将制动过程中原本会转化为热能损失掉的能量，回收给48V 电池充电并以电能的形式储存。本研究中用制动能量回收转矩与当前车速和制动强度下的最大需求制动转矩之比β 来表示电机制动回收转矩的大小。

制定模糊控制规则时主要需要遵循以下规则：

（1）若制动强度越小则制动能量回收转矩比例系数越大；

（2）若制动强度很大时，可能处于紧急制动，此时需要考虑制动响应速度优先，只进行摩擦制动；

（3）若48V 电池SOC 极高时，此时电池无需充电，只进行摩擦制动

（4）若48V 电池SOC 较低时，此时优先进行制动能量回收，若电机提供不了足够的制动力再进行摩擦制动。

（4）若车速越大则制动能量回收转矩比例系数越大；

（5）若车速很高时，此时需要优先考虑制动安全，只进行摩擦制动。

在MATLAB Simulink 中使用模糊控制器工具箱，根据已确定的输入和输出，制定模糊控制规则，建立相应的制动模糊控制器，其模糊规则曲面图如图7 所示。在该曲面图中，车速V 范围区间定义为[0,180]，48V 电池SOC 电量范围区间定义为[0,1]，制动强度范围区间定义为[0,1]，制动能量回收转矩比例系数β 范围区间定义为[0,1]。通过该曲面图可以直观的看出上述设定的制动模糊规则对于电机转矩分配系数的影响，如车速V 越高则能量回收转矩比例系数β 越大等。

图7 制动模糊控制器Simulink 模型

2.3.3 48V 控制策略模型

使用MATLAB Simulink 搭建48V 轻混动力系统控制策略模型，如图8 所示。主要包括整车驱动需求转矩计算模块、整车制动需求转矩计算模块、48V双模糊控制模块。该模型的输入为发动机和电机转速、48V 电池SOC、加速踏板开度、车速、制动踏板开度、车辆纵向加速度、整车质量、变速箱传动比，输出为分配后的电机和发动机需求转矩。

图8 48V 轻混动力系统控制策略模型

3 基于整车模型的WLTC 循环油耗仿真

2021 年2 月20 日，我国工业和信息化部组织制定的 《乘用车燃料消耗量限值》 强制性国家标准（GB19578-2021），由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布，并于2021 年7 月1 日实施。新发布的《乘用车燃料消耗量限值》中规定了汽油、柴油、两用燃料以及双燃料车辆的燃料消耗应按GB/T19233、采用全球统一轻型车辆测试循环WLTC（Worldwide Light-duty Test Cycle）进行测定[8]。

WLTC 循环由四个部分组成：低速、中速、高速和超高速。总长度23.25km，总运行时间1800 秒。循环最高速131km/h。WLTC 循环的特点是车速波动大，且没有规律性，属于瞬态工况的范畴。

为了探究本文研究制定的48V 模糊控制策略在WLTC 循环工况下的油耗表现，使用AVL CRUISE 软件分别搭建传统燃油车辆模型和48V P0轻混动力车辆模型。

3.1 整车模型

对于传统燃油车辆模型的搭建首先需要选取必要的模块，如车辆模块、发动机模块、驾驶员中控模块、AMT 变速箱及控制单元模块、离合器模块、主减速器模块、差速器模块、制动器模块、车轮模块等，拖动至建模界面，并按照车辆结构进行排列。对于48V车辆模型还需要选取电机、电池、带传动模块，以及将编译后的MATLAB Simulink 控制策略模型DLL文件加载至车辆模型。

整车基本的部件模块选取完毕后，需要对各个部件模块进行相应的参数配置。依次将各部件模块的参数配置完成后，最后需要对各模块进行连接，包括机械连接和电气信号连接两部分。需要确保部分关键电气信号的正确连接，否则车辆模型无法正常运行。搭建完成的整车模型如图9 和图10 所示。

图9 传统燃油车辆模型

图10 P0 结构48V 轻混动力车辆模型

3.2 WLTC 循环仿真及结果分析

在AVL CRUISE 中设定WLTC 循环工况任务，分别对传统燃油车辆模型和48V 轻混车辆模型进行WLTC 循环仿真，油耗结果如表6 所示。

WLTC 循环仿真数据记录如图11 所示。

图11 WLTC 循环数据记录

从WLTC 循环数据可以看出，48V 电池SOC 在整体的循环过程中随着电机助力、能量回收的模式切换进行动态变化，表明48V 电池持续进行动态的充放电。而在循环起始与结束时的电池SOC 变化保持在10%以内。因此本文设计的48V 控制策略可以基本保证48V 电池SOC 的动态平衡。48V BSG 电机的需求转矩由48V 控制策略直接输出，从数据上可以看出电机的工作状态随着正负需求转矩的切换而在助力和发电的状态之间进行切换。48V 控制策略在车辆需要较大的车速提升时会计算出正转矩使电机进行助力，在车辆制动时计算出负转矩使电机进行发电，而在车辆匀速行驶的稳态工况下会输出0 转矩使电机进入空载模式。最终的循环油耗结果证明搭载48V P0 轻混动力系统可以给传统燃油车辆带来11.2%的节油率，效果良好。

4 结论及展望

本文开发设计了一种基于模糊控制的P0 结构48V 轻混动力系统，通过搭建Simulink 控制模型及与AVL CRUISE 中建立的整车模型进行联合仿真，分析了P0 结构48V 系统在WLTC 循环工况下对于整车燃油经济性的优化贡献。结果表明，搭载48V P0 轻混动力系统的车辆相较传统燃油车辆可以实现11.2%的节油率。因此采用P0 结构的48V 轻混动力系统可以以较低的成本实现较为理想的节油效果，“性价比”很高，具有较高的工程实际应用价值。本文的研究虽然取得了初步的成果，但依然还有许多有待进一步深入研究的地方。首先，P0 结构48V的轻混动力系统在成本和节油率方面虽然具备较高的“性价比”，但随着我国相关法规的不断加严，该单一混动结构的实际节油效果很难达到足以满足法规的燃油消耗水平。因此后续还可以继续探索P0 结构与其他混动结构的组合，诸如“P0+P3”、“P0+P4”等，以达到更为理想的节油效果。

其次，本文研究采用的模糊控制策略着重探讨了模糊控制器的设计，在将来进一步的研究中可以继续寻求对于控制效果的优化，例如利用优化算法对输入参数进行优化，以及结合PID 控制方法对输出参数形成闭环控制等。

最后，本文从理论和仿真的层面对P0 结构48V 轻混动力系统进行了设计和验证，没有基于实际的车辆和试验设备进行测试验证。在将来对48V 系统做进一步的性能优化的研究中，基于实际车辆的测试验证是由理论研究迈向实际应用的重要基础。