48V中混系統(tǒng)對(duì)柴油動(dòng)力綜合性能改善的研究

任坤騰

摘要：分析了48 V中混系統(tǒng)中的P0架構(gòu)對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，尤其是對(duì)于柴油機(jī)的綜合性能改善效果。為了進(jìn)行量化驗(yàn)證，在某臺(tái)匹配2.0T柴油機(jī)和8AT變速箱的全尺寸SUV上進(jìn)行了改制與試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，48 V P0架構(gòu)在該車型上的起動(dòng)性能和動(dòng)力性能有明顯改善。同時(shí)，在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放中，氮氧化物（NOx）改善了25%左右，燃油耗降低了11%，有效地改善了整車燃油耗。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;柴油機(jī);綜合性能;燃油耗;排放

0?前言

當(dāng)前，汽車行業(yè)越來越受到來自于政府和社會(huì)公眾要求降低燃油耗的壓力，有史以來最嚴(yán)格的汽車燃油耗法規(guī)也正逐步向所有車型推廣。例如，歐盟要求新車到2020年的CO2排放達(dá)到95 g/km，即汽油車百公里燃油耗為4.11 L，柴油車百公里燃油耗為3.60 L。中國政府要求到2020年汽車平均百公里燃油耗達(dá)到5 L，美國、日本等其他國家也有類似的要求。

然而，僅依靠提高內(nèi)燃機(jī)效率很難達(dá)到這一要求。隨著汽車混動(dòng)技術(shù)及電池技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)有被混動(dòng)及純電車型取代的趨勢(shì)。但是，在中短期內(nèi)，帶有制動(dòng)能量回收的混動(dòng)系統(tǒng)被認(rèn)為是汽車行業(yè)降低CO2排放最有效的技術(shù)。可以認(rèn)為，傳統(tǒng)動(dòng)力總成的電氣化是未來提高效率及降低燃油耗的1條非?？尚械募夹g(shù)路線。汽車行業(yè)正面臨著自誕生以來最大的技術(shù)變革。

48 V混合動(dòng)力技術(shù)屬于中混系統(tǒng)的范疇，基本具備了全混系統(tǒng)或者深度混合動(dòng)力的全部功能，如起停、助力、能量回收、發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)整、一定車速下的純電行駛、純電起步、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火滑行等功能。48 V中度混合動(dòng)力系統(tǒng)相比純電動(dòng)系統(tǒng)降低了成本，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了降低CO2和污染物排放的綜合目標(biāo)。

相對(duì)于汽油動(dòng)力，柴油動(dòng)力具有昂貴的后處理成本、相對(duì)較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及由此引發(fā)的起動(dòng)和怠速噪聲.振動(dòng).平順性（NVH）抱怨，這是柴油機(jī)無法在乘用車上大規(guī)模普及與應(yīng)用的1項(xiàng)重要制約因素。

本文針對(duì)48 V中混系統(tǒng)，開展了技術(shù)研究，采用了柴油動(dòng)力。主要研究目的在于發(fā)掘48 V中混系統(tǒng)對(duì)于柴油動(dòng)力綜合性能的提升，同時(shí)初步探討48 V中混系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放的降低效果，以及由此引起的后處理成本下降的收益。上述優(yōu)勢(shì)將是柴油機(jī)匹配48 V中混系統(tǒng)能否在乘用車上大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

1?48 V中混系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，取決于電機(jī)在整個(gè)動(dòng)力總成上的不同布置，混動(dòng)系統(tǒng)有5種不同的拓?fù)浼軜?gòu)[1]，48 V混動(dòng)亦是如此。5種不同布置形式分別是：（1）P0.電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，皮帶式起動(dòng)發(fā)電機(jī)（BSG）;（2）P1.電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器之間的曲軸上，集成式起動(dòng)發(fā)電機(jī)（ISG）;（3）P2.電機(jī)位于變速箱的輸入軸處;（4）P3.電機(jī)位于變速箱的輸出軸處;（5）P4.電機(jī)位于沒有機(jī)械連接的傳動(dòng)車軸上。

對(duì)于P0架構(gòu)來說，它可以取代傳統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，而且只需要對(duì)前端附件傳動(dòng)（FEAD）的皮帶和皮帶輪張緊器進(jìn)行調(diào)整，使BSG能夠在2個(gè)扭矩方向上工作。通過BSG提供動(dòng)力來輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，或在制動(dòng)時(shí)回收動(dòng)能。因此，在P0位置安裝電機(jī)的成本和變化較小。但是，P0拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)是效率較低。這是因?yàn)槠鲃?dòng)不如其他拓?fù)渲惺褂玫凝X輪傳動(dòng)更加有效。當(dāng)BSG處于回收模式且發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖扭矩增大，并減少轉(zhuǎn)換為電能的能量。P0電機(jī)理論上可以支持純電行駛工作模式，但是由于電機(jī)必須克服發(fā)動(dòng)機(jī)阻力扭矩，以及考慮到傳動(dòng)系統(tǒng)部件的損失，因此工作效率非常低。

盡管如此，綜合上述利弊，P0架構(gòu)依然是目前最容易實(shí)現(xiàn)的方式，并且性價(jià)比相對(duì)最高。P0架構(gòu)的BSG電機(jī)可以有不同的電壓范圍，如12 V、36 V、48 V、86 V、115 V，甚至350 V等。綜合整個(gè)供應(yīng)商體系、整車電壓平臺(tái)、系統(tǒng)成本等因素，當(dāng)前的P0架構(gòu)以48 V為主流模式。

本文研究基于48 V P0架構(gòu)而開展，增加了48 V BSG電機(jī)、電池、直流轉(zhuǎn)換等，相關(guān)車輛參數(shù)如表1所示。

圖2所示為當(dāng)前P0系統(tǒng)的架構(gòu)圖。發(fā)動(dòng)機(jī)與BSG電機(jī)通過皮帶、雙向張緊器實(shí)現(xiàn)連接。BSG的控制器通過48 V電池和48.12 V直流交換，實(shí)現(xiàn)電源交互功能。此架構(gòu)保留了12 V起動(dòng)電機(jī)，以保證低溫起動(dòng)性能，以及首次車輛起動(dòng)過程。

在大多數(shù)情況下，首次起動(dòng)一般都會(huì)采用12 V起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的方式，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)后，為整個(gè)48 V電網(wǎng)建立起電壓，隨即由BSG電機(jī)負(fù)責(zé)起動(dòng)，以及完成發(fā)動(dòng)機(jī)起停功能。

2?48 V中混系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的改善

電機(jī)的低速大扭矩特性和快速的扭矩響應(yīng)特性對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行有較好的輔助作用。因此匹配48 V P0架構(gòu)的系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)性能會(huì)得到不同程度的提高。

2.1?起動(dòng)性能

傳統(tǒng)柴油機(jī)的起動(dòng)或者起停，依賴于12 V起動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于起動(dòng)電機(jī)自身功率的限制，常規(guī)的起動(dòng)方式是通過12 V起動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拖拽到200～300 r/min左右，之后內(nèi)燃機(jī)通過增大進(jìn)氣量、加濃混合氣的方式進(jìn)入怠速狀態(tài)。但是，這樣會(huì)帶來燃油耗和排放的惡化[2]。

48 V P0中混系統(tǒng)的起動(dòng)模式是由電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖拽到800 r/min左右，之后發(fā)動(dòng)機(jī)開始進(jìn)氣、噴油和點(diǎn)火。這種起動(dòng)模式可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)從300 r/min到怠速階段時(shí)候起動(dòng)的不平順性，縮短起動(dòng)時(shí)間。2種系統(tǒng)的起動(dòng)表現(xiàn)如圖3所示。

從圖3可以看出，48 V電機(jī)相對(duì)于12 V電機(jī)，起動(dòng)時(shí)間縮短50%以上。高轉(zhuǎn)速起動(dòng)的另外1項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是可以顯著改善整車NVH性能的表現(xiàn)。

通過在48 V P0柴油動(dòng)力車的方向盤、座椅處安裝Z方向加速度傳感器并測(cè)量加速度，以此來評(píng)估NVH性能。試驗(yàn)表明，48 V P0系統(tǒng)能夠明顯地改善NVH性能，如表2所示。

在通常情況下，柴油機(jī)動(dòng)力的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，起動(dòng)阻力也相應(yīng)較大?，F(xiàn)階段，48 V電池的低溫放電功率尚不足以完全克服此阻力矩。結(jié)合當(dāng)前48 V電池的充放電功率特性，研究人員對(duì)48 V電機(jī)的起動(dòng)策略相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整。

如圖4所示，針對(duì)某2.0T型柴油機(jī)，當(dāng)環(huán)境溫度為-5 ℃以上時(shí)，采用48 V起動(dòng)的策略;當(dāng)環(huán)境溫度在-30～-5 ℃之間，采用傳統(tǒng)12 V電機(jī)起動(dòng)與48 V電機(jī)BSG綜合起動(dòng)的策略。在此策略下，起動(dòng)時(shí)間約為傳統(tǒng)12 V電機(jī)起動(dòng)的33%～50%左右，起動(dòng)時(shí)間大幅度縮短，起動(dòng)性能大幅度改善。

在48 V電機(jī)BSG起動(dòng)方式下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被拖拽到800 r/min左右，之后混動(dòng)控制單元控制內(nèi)燃機(jī)以理論空燃比進(jìn)氣、噴油、點(diǎn)火，達(dá)到降低燃油耗和排放的目的。如圖5所示，在起動(dòng)瞬間，BSG提供了55 N·m的扭矩，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拖拽到1 300 r/min。之后，發(fā)動(dòng)機(jī)開始噴油、點(diǎn)火，確保了良好的起動(dòng)性能，并且減少了起動(dòng)噴油量[3]。

2.2?外特性扭矩影響

48 V BSG電機(jī)通過皮帶耦合到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上。當(dāng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同向運(yùn)轉(zhuǎn)提供助力時(shí)，曲軸端扭矩相應(yīng)提高，該部分疊加的扭矩有助于提高整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的扭矩外特性。如圖6所示，針對(duì)某型2.0T 柴油機(jī)，輪系速比為3.3，外特性有了明顯提升，尤其在低轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，使最大扭矩提高約50%。

最大扭矩的提高也會(huì)相應(yīng)改善整車百公里加速性能。如圖7所示，搭載某2.0T型柴油機(jī)、匹配8AT自動(dòng)變速箱的SUV車型在匹配48 V電機(jī)系統(tǒng)之后，百公里加速性能實(shí)測(cè)改善了0.9 s，效果明顯。

2.3?瞬態(tài)響應(yīng)影響

BSG電機(jī)的扭矩提升速度要遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，尤其是優(yōu)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大的柴油機(jī)。因此，48 V BSG對(duì)于匹配柴油動(dòng)力車型的低速扭矩響應(yīng)有明顯改善。如圖8所示，針對(duì)某款匹配2.0T 柴油機(jī)、8AT自動(dòng)變速箱的SUV車型，試驗(yàn)表明，在小油門、低車速情況下，起步加速度有明顯改善。在30%油門開度下，48 V BSG起步加速度提高了約1倍。同時(shí)，如50%等不同油門開度下的起步加速度均有不同程度的改善。

2.4?排放

由于柴油機(jī)采用稀薄燃燒，氮氧化物（NOx）排放是首要問題。當(dāng)前，柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的典型處理方式是采用氧化催化器（DOC）、選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)和帶SCR的柴油機(jī)顆粒捕集器（SDPF）等。理論和實(shí)踐都表明，大部分NOx排放來自于冷起動(dòng)階段，以及每個(gè)瞬態(tài)加速階段。

在匹配了48 V BSG電機(jī)之后，在同樣油門開度下，保持車輛運(yùn)行所需要的總扭矩不變，電機(jī)可以根據(jù)不同的標(biāo)定策略輸出扭矩，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，減少廢氣排放。

針對(duì)某款搭載2.0T型柴油機(jī)，匹配8AT自動(dòng)變速器的SUV車型，研究人員通過嘗試不同的標(biāo)定策略，在保證電池荷電狀態(tài)（SOC）平衡的前提下，盡可能多的提高了電機(jī)扭矩輸出，從而達(dá)到降低NOx排放的目的。如圖9所示，當(dāng)車速為47.6 km/h時(shí)，輪系速比為3，電機(jī)扭矩為11.9 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩約為84.2 N·m左右。此時(shí)，飛輪端總輸出扭矩為119.9 N·m，而BSG電機(jī)扭矩占了總輸出扭矩的42%左右，大幅度減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)外扭矩輸出，從而減少了發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放[4]。

2.5?高速起停

某款搭載2.0T柴油機(jī)，匹配8AT的SUV車型，其不帶48 V版本的基礎(chǔ)車型由于受變速箱硬件的限制，自動(dòng)停機(jī)一般發(fā)生在0～3 km/h的車速工況范圍內(nèi)。其主要原因在于該變速箱在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)之前需要維持300～600 r/min的飛輪轉(zhuǎn)速，以此來給變速箱蓄能器提供蓄能。這就存在著從發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)供油（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大約1 100 r/min、車速大概11 km/h左右）到進(jìn)入自動(dòng)停機(jī)時(shí)刻（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約600 r/min、車速大約6 km/h左右），發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過噴油來維持此轉(zhuǎn)速需求，而這將帶來燃油耗的損失。

如圖10所示，在匹配48 V BSG系統(tǒng)之后，通過開發(fā)BSG的輔助怠速功能，在此車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速段內(nèi)，通過BSG電機(jī)維持飛輪端轉(zhuǎn)速，而發(fā)動(dòng)機(jī)維持?jǐn)嘤蜖顟B(tài)，以此達(dá)到降低燃油耗的目的。通過仿真表明，在全球輕型汽車測(cè)試循環(huán)（WLTC）循環(huán)中，燃油耗降低了0.6%。

3?結(jié)果分析

如圖11所示，在某款搭載2.0T柴油機(jī)，匹配8AT自動(dòng)變速器的SUV車型上，通過搭建48 V P0系統(tǒng)架構(gòu)，在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）工況下，平均燃油耗下降了11%，縮小了該車型與第五階段燃油耗目標(biāo)值的差距，為企業(yè)減小了負(fù)積分損失。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放平均下降了25%，也為后續(xù)研究如何在增加48 V P0系統(tǒng)架構(gòu)后降低后處理的成本提供了參考。

4?總結(jié)

48 V中混系統(tǒng)在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起停技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供了額外的系統(tǒng)節(jié)油效果，并提供了更好的駕駛體驗(yàn)。針對(duì)柴油動(dòng)力， 48 V電機(jī)P0架構(gòu)通過BSG電機(jī)提供動(dòng)力輔助和能量回收，大幅減少了汽車停機(jī)過程中的能量損失。同時(shí)，由于電機(jī)低速扭矩大、響應(yīng)快，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)柴油機(jī)在低速段扭矩低、響應(yīng)慢的劣勢(shì)，加快了整車起動(dòng)速度，提升了駕駛體驗(yàn)。此外，48 V電機(jī)P0架構(gòu)在降低燃油耗的同時(shí)，對(duì)污染物排放有較明顯的改善。這對(duì)于降低柴油動(dòng)力昂貴的后處理系統(tǒng)的成本作用非常明顯。

可以預(yù)見，在未來5～10年內(nèi)的汽車節(jié)能減排路線中，48 V電機(jī)系統(tǒng)將會(huì)在柴油動(dòng)力中得到越來越多的應(yīng)用。

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