日產(chǎn)e-Power混合動(dòng)力系統(tǒng)研究

張昶 付磊

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長春 130011）

1 前言

在當(dāng)前能源及環(huán)境危機(jī)的背景下，世界各國車企都在大力推進(jìn)新能源車型的研發(fā)。作為新能源車最核心的技術(shù)領(lǐng)域，動(dòng)力總成構(gòu)型的研發(fā)也日益多樣化。目前主要的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型有串聯(lián)式（寶馬i3，日產(chǎn)Note）、并聯(lián)式（奧迪A6-etron，高爾夫GTE）、串并聯(lián)式（本田雅閣Hybrid）及功率分流式（豐田全系混動(dòng)車型）等。其中，串聯(lián)構(gòu)型被普遍認(rèn)為動(dòng)力性較弱，系統(tǒng)效率較低，幾乎成為被業(yè)界淘汰的構(gòu)型，寶馬投入大量精力研發(fā)的i3車型市場表現(xiàn)慘淡，后續(xù)新能源產(chǎn)品也轉(zhuǎn)投并聯(lián)技術(shù)路線。而日產(chǎn)卻“逆流而上”，在2016年發(fā)布e-Power串聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，并在三款車型上投產(chǎn)應(yīng)用。2017年的銷售數(shù)據(jù)表明，該動(dòng)力系統(tǒng)系統(tǒng)市場認(rèn)可度極高，其中Note車型年銷量超過10萬輛。本文主要結(jié)合日產(chǎn)Note車型，從技術(shù)角度分析e-Power系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。

2 日產(chǎn)e-Power混合動(dòng)力系統(tǒng)概述

e-Power動(dòng)力系統(tǒng)采用的是串聯(lián)構(gòu)型，其動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。該串聯(lián)構(gòu)型的主要特點(diǎn)在于，車輛的驅(qū)動(dòng)力由電機(jī)提供，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接參與驅(qū)動(dòng)，而是通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)由逆變器將電能傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車輛。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能夠與行駛需求完全解耦，因而可以持續(xù)工作在其高效區(qū)；而其缺點(diǎn)在于，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量需要進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化才能驅(qū)動(dòng)車輛，系統(tǒng)效率受電機(jī)電池效率制約[2]。

圖1 日產(chǎn)Note e-Power動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型拓?fù)?/p>

e-Power動(dòng)力總成的主要參數(shù)如表1所示，e-Pow?er雖為串聯(lián)構(gòu)型，卻并沒有采用常用的大容量電池。發(fā)動(dòng)機(jī)作為增程器的方案，其電池采用的是小容量的功率型電池，沒有外接充電功能，車輛所需求的能量全部來自于燃油，電池主要作為能量緩沖裝置，平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷及能量流。

表1 e-Power動(dòng)力總成主要參數(shù)

3 動(dòng)力總成選型及優(yōu)化

為了規(guī)避串聯(lián)式純電動(dòng)的車的系統(tǒng)效率較低、NVH性能較差、電池SOC低時(shí)車輛性能下降嚴(yán)重等問題，e-Power對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。本節(jié)主要介紹發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池幾個(gè)主要部件的選型及優(yōu)化。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型及優(yōu)化

在串聯(lián)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)只用來發(fā)電，不直接參與驅(qū)動(dòng)，因此對(duì)動(dòng)力性要求不高。日產(chǎn)并沒有對(duì)Note混動(dòng)車型開發(fā)新發(fā)動(dòng)機(jī)，而是在傳統(tǒng)車1.2L三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。e-Power發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化項(xiàng)目如表2所示。

表2 e-Power發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

從表中對(duì)比可以看出，日產(chǎn)對(duì)e-Power系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)從改善熱效率、減少泵氣損失、降低系統(tǒng)摩擦三個(gè)方面進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化。通過采取以上措施，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性得到有效提升，圖2對(duì)比了e-Power發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗特性，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗在全功率范圍內(nèi)都得到降低。而且，由于串聯(lián)構(gòu)型能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)的解耦，便于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化控制。圖3對(duì)比了e-Power發(fā)動(dòng)機(jī)、傳統(tǒng)車發(fā)動(dòng)機(jī)及某混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況工作點(diǎn)，表明e-Power發(fā)動(dòng)機(jī)可以始終工作在其高效區(qū)內(nèi)。

圖2 e-Power發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗特性

圖3 e-Power發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況工作點(diǎn)

3.2 電機(jī)選型及優(yōu)化

e-Power的電機(jī)和逆變器直接借用Leaf EV車型資源，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的優(yōu)化。該電機(jī)采用低鐵損鐵芯和滲鏑永磁體，以保證電機(jī)性能和耐熱性；而且相較于Leaf EV的電機(jī)，其功率電子模塊和繞組都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小其電感損失[3]。優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率map如圖4所示。

圖4 e-Power發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率map

電驅(qū)系統(tǒng)效率值如表3所示（包含逆變器效率）。優(yōu)化后的電驅(qū)系統(tǒng)綜合能量傳遞效率可以達(dá)到84%左右，這是e-Power動(dòng)力系統(tǒng)能耗水平領(lǐng)先于一般串聯(lián)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

表3 e-Power電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率

3.3 電池選型及優(yōu)化

e-Power系統(tǒng)中，電池主要作為能量緩沖裝置，并在低負(fù)荷時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛，因此選擇的是低容量（1.47kWh）的功率型電池。此方案相較于寶馬i3大容量電池的增程式純電動(dòng)車優(yōu)勢在于：（1）減小了整車整備質(zhì)量，從而降低整車的驅(qū)動(dòng)能量需求；（2）車輛的性能一致性很好，基本不受電池電量的影響，因而可以用于長途駕駛，且用戶不會(huì)有“里程焦慮”。

另外，較小的電池容量使電池不會(huì)占用車輛的使用空間。該電池安裝在前排座椅下方，采用風(fēng)冷方案，可以利用車輛行駛的迎風(fēng)壓力進(jìn)行良好的散熱。

4 系統(tǒng)控制優(yōu)化

為了降低整車能耗，提升駕駛舒適性，e-Power還對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)控制進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1 能量管理控制優(yōu)化

4.1.1 動(dòng)力系統(tǒng)工作模式管理

e-Power系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，基本工作模式有四種[4]，如圖5所示。驅(qū)動(dòng)模式原理及應(yīng)用場景描述如下：

（1）純電驅(qū)動(dòng)：電池提供所有的驅(qū)動(dòng)能量，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)；此工作模式主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)功率需求較低且電池電量較高的工況；

（2）行車充電：發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電能量一部分通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，一部分給電池充電；此模式主要應(yīng)用于電池電量低且需求的驅(qū)動(dòng)功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作點(diǎn)功率；

（3）聯(lián)合驅(qū)動(dòng)：發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電且輸出電能，二者電能共同輸出到驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)車輪；此模式主要應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)功率需求較大的工況，如急加速；

（4）再生制動(dòng)：發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，制動(dòng)能量通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能給電池充電。

圖5 e-Power系統(tǒng)工作模式

4.1.2 單踏板控制

對(duì)新能源車輛而言，制動(dòng)回收是必備功能。一般的制動(dòng)回收系統(tǒng)都是采用非解耦式制動(dòng)，即踩下制動(dòng)踏板后，電機(jī)輸出負(fù)扭矩疊加在制動(dòng)片上，使制動(dòng)能量的一部分可通過電能的形式儲(chǔ)存至電池。但非解耦制動(dòng)的一個(gè)劣勢是，能量回收比例不高，大部分制動(dòng)能量依然耗費(fèi)在制動(dòng)片摩擦上。針對(duì)此問題，e-Power開發(fā)出一種單踏板控制方法，即大部分工況下，可以通過加速踏板的深淺控制車輛的加速與減速，這樣可以將幾乎全部的制動(dòng)能量都回收到電池中[5]。單踏板系統(tǒng)的原理如圖6所示。加速踏板有一個(gè)中間位置，此位置往下則是驅(qū)動(dòng)工況，此位置往上則是制動(dòng)回收工況。在大多數(shù)工況下，通過抬起加速踏板的方式，即可滿足制動(dòng)需求，此時(shí)的制動(dòng)能量可以全部回收至電機(jī)端；當(dāng)需要更大強(qiáng)度的制動(dòng)時(shí)，可以踩下制動(dòng)踏板，機(jī)械制動(dòng)也就隨之參與進(jìn)來。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，可以大幅度增加回收能量，提升車輛經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)駕駛員不需要在制動(dòng)踏板和加速踏板間頻繁切換，減小駕駛員疲勞。試驗(yàn)表明，實(shí)際道路工況中，單踏板系統(tǒng)可以回收約90%的制動(dòng)能量。

圖6 單踏板控制原理

4.2 駕駛舒適性優(yōu)化

為提升車輛的舒適性，e-Power通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及發(fā)動(dòng)機(jī)介入時(shí)機(jī)的控制，大幅降低了發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)過程中的噪聲及振動(dòng)，盡可能達(dá)成EV級(jí)的駕駛感受。

e-Power對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制的設(shè)計(jì)初衷是在低速行駛階段，讓車輛行駛的路面噪聲掩蓋發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，達(dá)成接近EV的行駛感受。如圖7所示，藍(lán)色實(shí)線為e-Power初始設(shè)計(jì)目標(biāo)，即車速30km/h以下，發(fā)動(dòng)機(jī)維持1000rpm發(fā)電，車速更高時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升，增加發(fā)電量，以滿足行駛需求。但1000rpm對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，經(jīng)濟(jì)性并不好。轉(zhuǎn)速優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如紅色實(shí)線所示，即20km/h以下車速，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。20～30km/h車速之間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500～2500rpm之間，根據(jù)行駛功率需求調(diào)節(jié)。這樣可以兼顧降低噪聲與提升發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化

另外，為了減小行駛時(shí)的底盤振動(dòng)，e-Power還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置剛度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少動(dòng)力傳遞路徑上的激振力。同時(shí)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的介入時(shí)機(jī)也進(jìn)行了兩方面優(yōu)化：即點(diǎn)火時(shí)機(jī)避開車輛的共振頻率區(qū)間，同時(shí)依靠大扭矩的發(fā)電機(jī)進(jìn)行快速起機(jī)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)的振動(dòng)和噪聲對(duì)駕駛員的影響。

5 結(jié)論及啟示

（1）日產(chǎn)e-Power動(dòng)力系統(tǒng)借用傳統(tǒng)的車的發(fā)動(dòng)機(jī)，借用Leaf車型的電機(jī)和逆變器，以盡可能小的成本投入，開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單的串聯(lián)式電動(dòng)車型，將電動(dòng)車的售價(jià)做到了1,772,280日元（折合人民幣十萬元），獲得市場高度認(rèn)可。

（2）e-Power系統(tǒng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池、控制系統(tǒng)的針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了極低的油耗水平，JC08工況的油耗水平達(dá)到2.7L/100km，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了EV級(jí)的駕駛舒適性和平順性，讓幾乎被淘汰的串聯(lián)構(gòu)型重新煥發(fā)了活力。

（3）目前大多汽車廠商的新能源車型都追求性能突出，功能全面，因此對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)，總成需求等要求極高。這也導(dǎo)致新能源車型成本居高不下，高昂的售價(jià)也讓新能源車型在市場上曲高和寡。而日產(chǎn)通過現(xiàn)有資源的針對(duì)性極強(qiáng)的改進(jìn)，開發(fā)真正滿足用戶日常需求且價(jià)格低廉的產(chǎn)品，這樣的精益化設(shè)計(jì)思路十分具有借鑒意義。

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