48V P0輕混系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)

虞衛(wèi)飛，李杰，杜成磊，胡俊勇，肖海云，陳冠軍

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230022）

前言

2016年170 多個(gè)國家共同簽署《巴黎協(xié)定》以通過行動(dòng)安排控制全球氣溫上升幅度，我國政府提出將于2030年左右使二氧化碳排放達(dá)到峰值并爭取盡早實(shí)現(xiàn)。交通運(yùn)輸行業(yè)目前是二氧化碳排放大戶，各國通過制定越來越嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和油耗法規(guī)推動(dòng)汽車節(jié)能減排技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。我國乘用車企業(yè)平均油耗目標(biāo)值為2020年5L/100km，2025年4L/100km，呈逐年遞減狀態(tài)[1]。

為滿足燃料消耗量限制和企業(yè)平均油耗目標(biāo)值，以及雙積分管理辦法的要求，行業(yè)內(nèi)通過車輛阻力優(yōu)化、動(dòng)力系統(tǒng)電氣化等多種措施實(shí)現(xiàn)整車節(jié)油。而48V輕混、P2單電機(jī)混動(dòng)、串并聯(lián)雙電機(jī)混動(dòng)、增程式混動(dòng)以及純電動(dòng)是動(dòng)力系統(tǒng)電氣化的幾種主流技術(shù)路線。其中，48V P0輕混系統(tǒng)搭載不同車型基于不同駕駛循環(huán)如NEDC（新歐洲駕駛循環(huán)）、WLTC（worldwide light-duty test cycle，全球輕型車測(cè)試循環(huán)）具有4-16%左右的節(jié)油率[2-5]，其具有對(duì)傳統(tǒng)燃油車改動(dòng)小、可靠性高、成本低、性價(jià)比較高的優(yōu)勢(shì)。且48V電壓平臺(tái)較傳統(tǒng)12V電壓平臺(tái)更能支持高功率的電氣負(fù)載，更易滿足汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化的供電需求。IHS、LMC、AVL、Valeo等全球知名調(diào)查和咨詢公司均預(yù)測(cè)48V在中國和全球汽車市場(chǎng)將占據(jù)較大比例。48V P0系統(tǒng)目前是德系和自主品牌量產(chǎn)車型主要電氣化方案之一。

鑒于48V P0輕混系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及整車節(jié)油減排需求，在搭載1.5TGDI汽油機(jī)和手動(dòng)變速箱的多用途乘用車（MPV，multi-purpose vehicle）上開發(fā)了48V P0輕混系統(tǒng)。

1 48V P0系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 車輛參數(shù)

48V P0輕混系統(tǒng)基于多用途乘用車開發(fā)，該車具有整備質(zhì)量大、縱置后驅(qū)、手動(dòng)變速箱的特點(diǎn)。由于48V P0系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起停迅速，可開發(fā)防熄火功能，因此對(duì)手動(dòng)變速箱傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣影響輕微，且在車輛起步快松離合時(shí)更不易熄火。設(shè)定該車型NEDC工況油耗目標(biāo)為不高于8L/100km。部分車輛參數(shù)見表1。

表1 車輛參數(shù)

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

P0系統(tǒng)所搭載發(fā)動(dòng)機(jī)為1.5TGDI直列四缸汽油機(jī)。缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)具有升功率高、實(shí)際駕駛油耗較低的優(yōu)點(diǎn)，其部分參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.3 P0系統(tǒng)架構(gòu)

圖1、圖2分別為48V P0系統(tǒng)動(dòng)力架構(gòu)和電氣架構(gòu)。動(dòng)力系統(tǒng)主要部件有BSG（Belt-Driven Starter Generator，皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電一體式電機(jī)）、雙向張緊器、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、驅(qū)動(dòng)橋。由于BSG電機(jī)具有發(fā)電和驅(qū)動(dòng)兩種功能，且其傳動(dòng)受力方向相反，因此需要雙向張緊器實(shí)現(xiàn)皮帶預(yù)緊。

圖1 P0系統(tǒng)動(dòng)力架構(gòu)

圖2 P0系統(tǒng)電氣架構(gòu)

48V電氣系統(tǒng)有12V蓄電池、48V動(dòng)力電池、DC/DC雙向逆變器、BSG。48V磷酸鐵鋰動(dòng)力電池內(nèi)置BMS管理系統(tǒng)、繼電器。48V系統(tǒng)未上電時(shí)，48V電網(wǎng)電壓在14V以下，此時(shí)48V動(dòng)力電池繼電器兩端電壓壓差過大，若強(qiáng)行閉合易造成繼電器燒蝕。因此需要DCDC對(duì)48V電網(wǎng)進(jìn)行升壓，在繼電器兩端壓差小于1V時(shí)進(jìn)行閉合。該上電方式與高壓混動(dòng)或純電系統(tǒng)不同。

2 關(guān)鍵部件匹配選型

BSG電機(jī)功率和48V動(dòng)力電池可用容量范圍均會(huì)對(duì)P0輕混系統(tǒng)節(jié)油效果和成本產(chǎn)生影響，為使?jié)M足油耗目標(biāo)的成本最低，首先通過仿真模型進(jìn)行關(guān)鍵部件的初步匹配選型，再進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。為此基于MATLAB/Simulink開發(fā)了車輛[6]、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、BSG電機(jī)、48V動(dòng)力電池、ECU和HCU等模型，根據(jù)傳統(tǒng)燃油版原車數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校核。模型主要基于0-100km/h加速時(shí)間及NEDC循環(huán)進(jìn)行仿真計(jì)算。表3仿真結(jié)果表明，BSG電機(jī)峰值功率大于10kW，電池可用容量大于100Wh，即能滿足NEDC循環(huán)8L/100km的油耗目標(biāo)。根據(jù)全球供應(yīng)系統(tǒng)已有產(chǎn)品規(guī)格，最終選擇峰值功率12kW、峰值扭矩55Nm的BSG電機(jī)； 8Ah/3.3V 1P14S電芯的48V動(dòng)力電池。樣車實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明該參數(shù)選型能夠滿足目標(biāo)油耗需求。

表3 BSG峰值功率對(duì)油耗影響（仿真）

3 48VP0輕混功能開發(fā)

基于48V P0系統(tǒng)及整車配置，開發(fā)了增強(qiáng)起停、滑行和制動(dòng)能量回收、電機(jī)助力、發(fā)動(dòng)機(jī)工況優(yōu)化等混動(dòng)功能。

3.1 增強(qiáng)起停

不同于傳統(tǒng)12V起停功能一般停車才能停機(jī)，48V增強(qiáng)起停在車輛減速至15km/h以下即可進(jìn)入停機(jī)模式，延長了停機(jī)時(shí)間，節(jié)油效果更優(yōu)。

48V BSG電機(jī)功率比12V起停電機(jī)大，啟動(dòng)時(shí)能快速地將發(fā)動(dòng)機(jī)拖到目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速（750-1000r/min），HCU再使能ECU噴油，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間縮短至0.4s，過程非常平順。

3.2 滑行和制動(dòng)能量回收

該輕混系統(tǒng)具有滑行能量回收和制動(dòng)能量回收功能，滑行或制動(dòng)時(shí)，BSG電機(jī)處于發(fā)電模式，將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能并儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中，在提高能源效率的同時(shí)減緩了剎車片的磨損。能量回收與制動(dòng)系統(tǒng)為并行系統(tǒng)，互不影響。制動(dòng)能量回收根據(jù)制動(dòng)踏板開度調(diào)整制動(dòng)扭矩大小。

3.3 電機(jī)助力

油門踏板開度超過閾值或油門踏板開度加速度超過閾值時(shí)，表明駕駛員有強(qiáng)烈的加速意圖。此時(shí)，BSG快速提供額外扭矩提升整車動(dòng)力性，該部分功能尤其能大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)低端動(dòng)力性和響應(yīng)性，如圖3。

圖3 電機(jī)助力對(duì)外特性扭矩的提升

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)工況優(yōu)化

1.5TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率區(qū)在萬有特性圖中間，在低負(fù)荷和高負(fù)荷區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)效率下降。在系統(tǒng)負(fù)荷需求低時(shí)使BSG處于發(fā)電模式以提高發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)荷；在系統(tǒng)負(fù)荷需求高時(shí)使BSG處于驅(qū)動(dòng)模式以降低發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)荷，通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況來提高系統(tǒng)綜合效率，類似于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷“削峰填谷”，如圖4。該功能節(jié)油能力與發(fā)動(dòng)機(jī)效率梯度、電機(jī)功率和電池可用容量關(guān)系較大。由于電機(jī)發(fā)電和驅(qū)動(dòng)、電池充放電都有效率損失，因此該功能需要綜合考慮系統(tǒng)效率最優(yōu)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)工況優(yōu)化

4 實(shí)車測(cè)試結(jié)果與分析

在標(biāo)定參數(shù)滿足排放法規(guī)以及可靠性的前提下，實(shí)車NEDC工況測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示。NEDC工況第一次停車時(shí)水溫過低，為快速提升催化器溫度和水溫，減少排放，發(fā)動(dòng)機(jī)禁止停機(jī)，此后其他停車時(shí)溫度已超過閾值，發(fā)動(dòng)機(jī)均可停機(jī)。

圖5 48V P0輕混實(shí)車NEDC工況測(cè)試數(shù)據(jù)

BSG啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)階段，能夠在0.4s左右快速平穩(wěn)地將發(fā)動(dòng)機(jī)拖到預(yù)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，駕乘人員基本感覺不到發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)與啟動(dòng)。

整個(gè)NEDC循環(huán)期間，48V P0輕混系統(tǒng)頻繁地在增強(qiáng)起停、發(fā)動(dòng)機(jī)工況優(yōu)化、能量回收和發(fā)電等混動(dòng)模式之間切換，48V動(dòng)力電池不斷的充放電，SOC（state of charge，電池荷電狀態(tài)）始終在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)（30%-80%）。NEDC循環(huán)起始和結(jié)束SOC差在5%以內(nèi)，動(dòng)力電池電能增減對(duì)油耗的影響可以不考慮。實(shí)測(cè)綜合油耗8.0L/100km，較無48V P0輕混系統(tǒng)的原車下降14%左右。0至100km/h加速時(shí)間為17.3s，較無48V P0系統(tǒng)減少2.9s。

表4 48V P0系統(tǒng)與原車數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

本文基于搭載1.5TGDI汽油機(jī)的某多用途乘用車設(shè)計(jì)開發(fā)了48V P0輕混系統(tǒng)與控制策略。基于車輛和核心零部件的MATLAB/Simulink 模型進(jìn)行電機(jī)和動(dòng)力電池的匹配選型。完成動(dòng)力總成和電氣系統(tǒng)的開發(fā)。完成48V P0輕混系統(tǒng)功能定義和控制策略開發(fā)。建立實(shí)車完成動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性測(cè)試。結(jié)果表明，搭載48V P0輕混系統(tǒng)的實(shí)車較無該系統(tǒng)的原車NEDC綜合油耗下降14%，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)8L/100km；0至100km/h加速時(shí)間縮短2.9s；發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)與啟動(dòng)過程平順迅速，舒適性較好；排放滿足法規(guī)要求。

48V P0輕混系統(tǒng)對(duì)整備質(zhì)量較大的多用途乘用車經(jīng)濟(jì)性提升較大，其在轎車、SUV（sport utility vehicle，運(yùn)動(dòng)型多用途汽車）和輕型商用車上，包括汽油機(jī)和柴油機(jī)，也能取得不錯(cuò)的效果，是車企滿足油耗法規(guī)的主要技術(shù)路線之一。