48V混動(dòng)技術(shù)對(duì)整車油耗的影響分析

張士路，王洪靜，郭文松，杜成磊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022）

1 概述

隨著國家對(duì)汽車油耗法規(guī)的要求越來越高，為了使企業(yè)的平均油耗到 2015年、2020 年分別達(dá)到6.9L/100km和5 L/100km的要求，各OEM都致力于純電動(dòng)汽車、清潔能源汽車、燃料電池汽車以及混合動(dòng)力汽車的研發(fā)。

混合動(dòng)力按照電機(jī)在整車動(dòng)力總成布置位置的不同分為P0、P1、P2、P3、P4等技術(shù)方案。

（1）P0混動(dòng)方案，即整個(gè)動(dòng)力輔助設(shè)備裝在了發(fā)動(dòng)機(jī)的前部，該輔助系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)渦輪、一體式發(fā)電機(jī)/起動(dòng)機(jī)、高壓發(fā)電機(jī)等，代表車型奧迪SQ7TDI。

（2）P1和P2模式基本相同，唯一區(qū)別在于電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間有沒有離合器，是不是可以切斷電動(dòng)機(jī)的輔助驅(qū)動(dòng)。P1的結(jié)構(gòu)是在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪裝上轉(zhuǎn)子，只要發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)，給定子加一個(gè)交流電壓，轉(zhuǎn)子就會(huì)輸出動(dòng)力。P1系統(tǒng)并沒有純電行駛模式。代表車型：本田CR-Z、Insight。而P2是目前市面混動(dòng)車型采用最多的模式。通過在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間插入兩個(gè)離合器和一套電動(dòng)機(jī)，來實(shí)現(xiàn)混動(dòng)。和P1不同的是，P2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)了。代表車型奧迪 a3 e-Tron。

（3）P3模式是將電動(dòng)機(jī)挪到了變速箱的末端。代表車型：本田i-DCD、比亞迪-秦。

（4）P4模式是把電動(dòng)機(jī)放在了驅(qū)動(dòng)橋，直接驅(qū)動(dòng)車輪。這種混動(dòng)模式主要用于跑車和越野SUV上。例如保時(shí)捷918 Spyder、謳歌NSX、寶馬i8等跑車，它們的前輪就是由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的。

本文通過在某車型上搭載48V P0混合動(dòng)力方案及控制策略進(jìn)行分析，通過NEDC循環(huán)測試，探討混動(dòng)功能對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響， 對(duì)低壓混合動(dòng)力的研究和應(yīng)用具有一定的參考意義。

2 48V P0混動(dòng)系統(tǒng)方案

2.1 48V P0混動(dòng)系統(tǒng)硬件方案

48V P0混動(dòng)系統(tǒng)的硬件如圖1所示，包含發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）、雙向張緊器、一體式發(fā)電機(jī)/起動(dòng)機(jī)（BSG）、電機(jī)控制器（MCU）、48V動(dòng)力電池及控制系統(tǒng)(BMS)、DC/DC變壓器等部件。

圖1 48V P0混動(dòng)系統(tǒng)的硬件組成

其中BSG通過雙向張緊器布置于發(fā)動(dòng)機(jī)前端位置，可用于整車助力或者能量回收；DC/DC變壓器采用的是雙向可逆的直流變壓器，主要用于48V和12V之間的電壓轉(zhuǎn)換；48V動(dòng)力電池采用的磷酸鐵鋰電池（LFP），用于電能的儲(chǔ)存；雙向張緊器主要是用于調(diào)整電機(jī)處于發(fā)電和電動(dòng)時(shí)前端輪系的主從動(dòng)輪的關(guān)系；ECU和MCU主要是發(fā)動(dòng)機(jī)和BSG的控制單元，其中MCU集成在BSG內(nèi)部；HCU為整車控制器，集成在ECU內(nèi)部，從而降低成本。

2.2 48V P0混動(dòng)系統(tǒng)軟件方案

48V P0混動(dòng)技術(shù)方案和傳統(tǒng)車相比，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停、電動(dòng)助力、智能能量管理，如圖2所示；

（1）起停功能：BSG起停分為自動(dòng)停機(jī)、改變駕駛意圖重起、起停停機(jī)、BSG起動(dòng)四種狀態(tài)；在BSG起動(dòng)后，如果扭矩需求、離合器、檔位、車速、SOC滿足要求，進(jìn)入電子怠速狀態(tài)。

（2）電動(dòng)助力功能：是指在瞬態(tài)加速時(shí)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不超過閾值、油門踏板變化率以及油門開度達(dá)到一定閾值，利用BSG電機(jī)實(shí)現(xiàn)短暫的助力功能。

（3）智能能量管理：1）為使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在萬有特性油耗曲線的經(jīng)濟(jì)區(qū)，在48V電池SOC高時(shí)，電能通過BSG轉(zhuǎn)化為扭矩輸出到發(fā)動(dòng)機(jī)，在SOC低時(shí)，BSG將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到48V電池中；2）在減速或者制動(dòng)過程中，系統(tǒng)處于能量回收狀態(tài)，通過 BSG進(jìn)行能量回收；3）根據(jù) 12V系統(tǒng)中的用電負(fù)載以及12V蓄電池的SOC，混動(dòng)系統(tǒng)會(huì)智能的調(diào)整12V蓄電池的充電電壓，從而實(shí)現(xiàn)12V電池智能發(fā)電。

圖2 48V P0混動(dòng)系統(tǒng)軟件組成

3 48V P0混動(dòng)控制策略開發(fā)

3.1 控制策略開發(fā)流程

48V P0混動(dòng)系統(tǒng)的控制策略開發(fā)完全按照ISO 26262的V型開發(fā)流程，如圖3所示：分別為需求制定、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、圖形化建模仿真、代碼轉(zhuǎn)換集成測試，硬件在環(huán)測試以及整車的標(biāo)定驗(yàn)證，同時(shí)在前期的需求以及架構(gòu)設(shè)計(jì)也同步進(jìn)行功能安全設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中存在的軟件硬件可能的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，并制定規(guī)避措施或者冗余的安全防護(hù)。

圖3 軟件開發(fā)V流程

3.2 核心控制模塊

48V混動(dòng)系統(tǒng)控制模塊主要分為以下幾大模塊：（1）上下電模塊，簡稱PMM模塊；是指控制整車電控系統(tǒng)，如BSG、48V動(dòng)力電池、ECU、DC/DC等核心控制器喚醒、初始化以及下電時(shí)的休眠等動(dòng)作；（2）扭矩需求模塊，簡稱TQD模塊，主要是依據(jù)駕駛員油門踏板的開度以及變化率，識(shí)別出駕駛員的需求扭矩；（3）扭矩分配模塊，簡稱TQS模塊，是指依據(jù)混動(dòng)系統(tǒng)的能力和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)區(qū)域來對(duì)TQD模塊的扭矩請(qǐng)求進(jìn)行合理的分配，從而保證混動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)；（4）能量管理模塊，簡稱HSM模塊，主要是與TQS模塊一起，對(duì)混動(dòng)系統(tǒng)的能量進(jìn)行有效的管理，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行最佳。簡單的理解可以認(rèn)為HSM是決策模塊，決定不同的工況發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩，TQS模塊是一個(gè)執(zhí)行模塊。

3.3 節(jié)油策略設(shè)計(jì)

48V混動(dòng)技術(shù)主要涉及節(jié)油的策略主要有三種：一是發(fā)動(dòng)機(jī)起停技術(shù)；二是保持發(fā)動(dòng)機(jī)工作在萬有特性區(qū)域內(nèi)；三是能量回收。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)起停技術(shù)：是指在遇到紅燈或者擁堵路況時(shí)，又或者在車輛低速行駛時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)停機(jī)，利用48V動(dòng)力電池給整車進(jìn)行供電；需要發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，BSG會(huì)直接將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至較高轉(zhuǎn)速，如700rpm，

而避免傳統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的加濃導(dǎo)致油耗和排放變差。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)工作在外特性區(qū)域，是指在滿足駕駛員需求扭矩的情況下，通過BSG的充放電功能，維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在萬有特效區(qū)域內(nèi)，從而降低油耗。

（3）能量回收，是指在滑行階段和制動(dòng)階段，可以利用電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生能量儲(chǔ)蓄在48V動(dòng)力電池中，此部分能量用作BSG提供動(dòng)力，避免了滑行和制動(dòng)過程中能量的損失。

4 實(shí)車測試與結(jié)果分析

對(duì)于48V混動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在NEDC工況下與傳統(tǒng)車在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行對(duì)比測試，以證明48V混動(dòng)系統(tǒng)對(duì)整車油耗的貢獻(xiàn)度。

試驗(yàn)兩臺(tái)車輛除混動(dòng)模塊區(qū)別外，其他參數(shù)均相同。按照國五法規(guī)規(guī)定的加載系數(shù)在轉(zhuǎn)轂進(jìn)行加載，采用NEDC循環(huán)測試，試驗(yàn)車輛排出廢氣經(jīng)過稀釋后進(jìn)入CVS-4000型定容采樣系統(tǒng)和AMA-4000型氣態(tài)排放物分析系統(tǒng)，試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見下表。

表1 實(shí)車排放及油耗結(jié)果對(duì)比

為保證試驗(yàn)的一致性，在排放開始前將12V電池充滿電，采集多組結(jié)果，保證數(shù)據(jù)的可靠性。從試驗(yàn)結(jié)果看，混動(dòng)模式對(duì)排放的影響不明顯，但對(duì)油耗的貢獻(xiàn)較為明顯，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)油15%左右。

5 結(jié)論

本文基于 48V混動(dòng)系統(tǒng)在整車上的應(yīng)用方案進(jìn)行了研究，主要利用常規(guī)駕駛過程中的起停技術(shù)，電機(jī)助力，以及能量回收等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整車?yán)?8V混動(dòng)技術(shù)的節(jié)油目的。通過在實(shí)車上的測試及運(yùn)用，表明48V混動(dòng)技術(shù)對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)整車油耗有15%的油耗貢獻(xiàn)度。

但是48V混動(dòng)技術(shù)的發(fā)展還不僅僅局限于此，48V作為國家規(guī)定的低壓電壓范圍，在整車絕緣防護(hù)等方面可以節(jié)約很多的成本，所以國內(nèi)對(duì)于48V混動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用還在不斷的探索中，希望本文對(duì)后續(xù)的研究有一定的意義。