基于48 V弱混重型汽車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

周 鵬，康 南，吳相稷

(1.昆明冶金高等專科學(xué)校電氣與機(jī)械學(xué)院，云南 昆明 650033；2.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000；3.昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

石油是全球短缺燃料資源，環(huán)境氣溫變暖，使得各國(guó)陸續(xù)制定中長(zhǎng)期汽車燃料消耗法規(guī)，尤其重型汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性較差,其燃油經(jīng)濟(jì)性和碳排放要求更加嚴(yán)格；2020年12月12日，習(xí)近平總書記在氣候雄心峰會(huì)上發(fā)表題為《繼往開來，開啟全球應(yīng)對(duì)氣候變化新征程》的重要講話,進(jìn)一步宣布[1]：到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右。

48 V弱混動(dòng)力技術(shù)，因其較低的成本，簡(jiǎn)便的改進(jìn)升級(jí)技術(shù)，成為國(guó)內(nèi)外各科研院所和汽車廠商提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低二氧化碳排放的新技術(shù)實(shí)施路徑。

本文擬對(duì)48 V弱混汽車動(dòng)力系統(tǒng)及發(fā)展現(xiàn)狀作分析，希望為相關(guān)科研技術(shù)人員提供參考。

1 48 V弱混技術(shù)

混合動(dòng)力技術(shù)，作為燃油車和純電動(dòng)汽車的過渡技術(shù)，兼具2種動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在減少油耗，節(jié)能減排方面的潛力是巨大的，基本組成如圖1所示。

圖1 48 V弱混動(dòng)力系統(tǒng)基本組成Fig.1 Basic composition of 48 V mild hybrid power system

低壓的48 V弱混動(dòng)力技術(shù)，是將目前汽車的12 V電瓶作為基礎(chǔ)，再融合加裝一套48 V的電源——電動(dòng)機(jī)；此種低壓弱混合動(dòng)力系統(tǒng)相比現(xiàn)今的高電壓、超高壓混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、較易匹配和成本略低，比之12 V的自動(dòng)起—停技術(shù)更加低排放。根據(jù)電動(dòng)機(jī)安裝位置的不同，48 V動(dòng)力系統(tǒng)有BSG(Belt-driven Starter Generator)和ISG(Integrated Starter Generator)2種結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

P0：起—停電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)通過皮帶相連，BSG；P1, P2為電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和變速機(jī)構(gòu)共軸安裝布置，由幾個(gè)多片離合器決定控制內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)的功率耦合，ISG。 圖2 48 V弱混動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Structural form of 48 V mild hybrid power system

48 V弱混動(dòng)力技術(shù)，其基本原理與豐田、通用等廣義混動(dòng)原理類似，均需通過電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)或并聯(lián)工作，可以給車輛行駛以額外動(dòng)力，亦可在制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量的再生利用。超車、加速時(shí)的輔助動(dòng)力提供能夠很好地緩解發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速負(fù)荷、負(fù)載的瞬時(shí)沖擊，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于最佳燃油工作區(qū)。

2 48 V弱混動(dòng)力系統(tǒng)控制策略分析

根據(jù)48 V弱混動(dòng)力系統(tǒng)的作用功能闡述，擬分析車輛在啟動(dòng)和動(dòng)力分配方面的能量管理策略。該弱混系統(tǒng)提高了車輛的供給電壓，能夠在同樣大小電流下，提供更高功率輸出。BSG系統(tǒng)布置的48 V系統(tǒng)可以進(jìn)行車輛起—停、制動(dòng)能量再生、電機(jī)輔助和扭矩控制優(yōu)化等功能。筆者分析了車輛的起—停、扭矩控制優(yōu)化的控制策略。

2.1 48 V系統(tǒng)起—?？刂撇呗?/h3>

汽車的自動(dòng)起—停技術(shù)，因其在提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面的效果明顯，在傳統(tǒng)車輛中已經(jīng)基本普及，尤其在中級(jí)車及自主品牌車型中得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)主要是指當(dāng)車輛在交通行駛停車后，車輛控制系統(tǒng)自行關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況刪除怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的空轉(zhuǎn)—怠速工況，從而發(fā)動(dòng)機(jī)油耗為零；繼續(xù)行車后，控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)節(jié)氣門開度，起動(dòng)車輛，汽車即進(jìn)入行駛正常工況。對(duì)于重型車輛的城市工況、交通流量大的路段，該技術(shù)節(jié)油效果尤為明顯。

車輛起動(dòng)策略：發(fā)動(dòng)機(jī)總起—停開關(guān)開啟，車輛離合器或變速箱檔位變換，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)在有效值內(nèi)，此狀態(tài)下，若變速箱位于空擋，車輛離合位置變化在15%以上時(shí)，整車處于起—停模式的起動(dòng)狀態(tài)。

車輛停機(jī)策略：總起—停開關(guān)開啟，動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)SOC>0.8，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度正常(60°)，車輛制動(dòng)系統(tǒng)良好，整車檢測(cè)設(shè)備正常；當(dāng)車輛行駛速度<10 km/h時(shí)，常規(guī)摩擦制動(dòng)踩下，變速箱檔位處于空擋，整車的起—停模式處于工作狀態(tài)。

文獻(xiàn)[2]對(duì)車輛的停機(jī)控制策略作了更為深入的分析。

2.2 扭矩控制優(yōu)化策略

車輛扭矩控制優(yōu)化策略主要是指汽車行駛轉(zhuǎn)矩控制和制動(dòng)時(shí)能量的再生利用控制。車輛在制動(dòng)工況時(shí)，整車控制系統(tǒng)收集傳感器返回信號(hào)，依據(jù)制動(dòng)減速度等參數(shù)值，優(yōu)化分配摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)力矩，以最大再生制動(dòng)能量為標(biāo)準(zhǔn)將制動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的形式儲(chǔ)存起來，以備利用。汽車在起動(dòng)、急加速或大負(fù)荷、全負(fù)荷模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)整車行駛，電動(dòng)機(jī)提供額外扭矩，實(shí)現(xiàn)超常加速克服大負(fù)載的功能。

行駛轉(zhuǎn)矩控制策略：車輛需求扭矩較小(<15 N·m)或車輛所需克服負(fù)載>120 N·m時(shí)，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛或輔助車輛行駛。

制動(dòng)時(shí)能量再生策略：制動(dòng)所需減速度較小(<0.1 g)或制動(dòng)減速度過大(>0.8 g)，車輛進(jìn)行摩擦制動(dòng)，以滿足制動(dòng)要求。當(dāng)制動(dòng)減速度在(0.1～0.8 g)時(shí)，車輛處于非緊急制動(dòng)工況，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，進(jìn)行再生制動(dòng)，以備驅(qū)動(dòng)模式作為輔助能量。

關(guān)于能量再生的控制策略研究，可參閱文獻(xiàn)[3][4]的詳細(xì)分析。

3 高效混動(dòng)機(jī)理與電源能量管理策略

3.1 車輛高效混動(dòng)機(jī)理分析

依據(jù)車輛行駛理論和混動(dòng)技術(shù)的匹配分析，現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)+電動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效混動(dòng)的下列4條件缺一不可，且4個(gè)基本條件需要同時(shí)滿足。

1) 1臺(tái)排量合適的寬域高燃效引擎(發(fā)動(dòng)機(jī))；

2) 至少2臺(tái)不同功率等級(jí)且與內(nèi)燃機(jī)的燃效區(qū)融合高度互補(bǔ)的非同位電機(jī)；

3) 由這2臺(tái)電機(jī)所組成的，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)保持高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)的傳動(dòng)系統(tǒng)；

4) 一套科學(xué)、先進(jìn)的能量管理邏輯。

上述4種要素條件只有同時(shí)具備，該汽車才能真正實(shí)現(xiàn)高效混動(dòng)。

3.2 48 V電源能量管理策略

該48 V弱混重型汽車的電源能量管理中，主要是實(shí)時(shí)測(cè)量電池的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)、可循環(huán)壽命、工作溫度等參數(shù)，避免電池出現(xiàn)短路、太熱、過飽和充電以及欠壓放電現(xiàn)象，從而保證電池的可靠使用和安全工作。電動(dòng)機(jī)的需求扭矩用Tt表示，實(shí)際扭矩為T；筆者對(duì)電源系統(tǒng)的能量管理策略制定如下：

狀態(tài)一電源荷電狀態(tài)(0.65

狀態(tài)二電源荷電狀態(tài)(0.25

狀態(tài)三電源荷電狀態(tài)(0.45

在文獻(xiàn)[5-6]中對(duì)電源系統(tǒng)的能量管理策略作了深入闡述。

4 應(yīng)用與趨勢(shì)

通過理論分析，48 V弱混系統(tǒng)有較好的市場(chǎng)前景，目前自主品牌汽車已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)研發(fā)方面展開探索，小轎車、SUV和中大型MPV等車型均有涉獵。

在北京車展中，廣州本田雅閣銳—混動(dòng)車型，將最新技術(shù)i—MMD兩電機(jī)混動(dòng)系統(tǒng)加裝到本田FUNTEC環(huán)保科技中，搭載2.0 L自然吸氣主動(dòng)力總成，與發(fā)動(dòng)機(jī)的智能動(dòng)力單元相協(xié)調(diào)，將燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛操控完美結(jié)合于一體，在官方的實(shí)測(cè)報(bào)道中油耗僅 4.2 L/100 km。

全新的奧迪A6已是第二代搭配 48 V 的混動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了2.0T、3.0T兩種版本動(dòng)力系統(tǒng)供消費(fèi)者選擇。最新一代的梅賽德斯奔馳C級(jí)，也展出了一款48 V弱混外加1.5T渦輪增壓的車型，內(nèi)燃機(jī)最大峰值功率可達(dá)135 kW，280 N·m的轉(zhuǎn)矩，弱混輔助動(dòng)力48 V電源可產(chǎn)生10 kW功率，160 N·m扭矩。該動(dòng)力融合模式下，燃油經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

另外還有自主品牌中一汽海馬福美來輕混車型[4]，搭載1.2T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)外加48 V電源，工信部綜合油耗5.1 L/100 km。

在重型車輛的設(shè)計(jì)中，這一技術(shù)還鮮有應(yīng)用。重型汽車在起步、加速、上坡和超車等運(yùn)行工況的燃油經(jīng)濟(jì)性是最差的，尤其在重載滿載的運(yùn)輸中，其油耗值高得驚人。相信在不久的將來，48 V弱混動(dòng)力技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在重型汽車的應(yīng)用將逐步實(shí)現(xiàn)，其燃油經(jīng)濟(jì)性將有良好的表現(xiàn)。

5 結(jié) 論

48 V弱混動(dòng)力技術(shù)作為汽車節(jié)能減排技術(shù)路線寫入《中國(guó)制造2025》發(fā)展規(guī)劃，配套的后續(xù)政策定將相應(yīng)出臺(tái)。盡管在有些國(guó)家和地區(qū)并不將其視為“混合動(dòng)力”技術(shù)，導(dǎo)致該技術(shù)只能裝備在中高端、豪華車型中；但實(shí)測(cè)燃油經(jīng)濟(jì)性，48 V弱混動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)已日趨明顯。因此相應(yīng)政策亟需出臺(tái)，使這一技術(shù)的應(yīng)用向中低端、A級(jí)家用轎車和重型汽車傾斜。

從工作原理上分析，48 V弱混動(dòng)力技術(shù)的節(jié)能與現(xiàn)行混動(dòng)技術(shù)類似，不需過高投入改變?cè)袆?dòng)力布置，是低成本、高效率、低投入、高產(chǎn)出的清潔混合動(dòng)力系統(tǒng)。(48 V弱混系統(tǒng)的電機(jī)和設(shè)計(jì)制造工藝要求較高，因其僅用于小負(fù)荷、低負(fù)載的輔助驅(qū)動(dòng)，總體成本要低于純電動(dòng)汽車主驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā))。

從應(yīng)用角度分析，(當(dāng)前的主要研究攻克方向是盡最大技術(shù)手段，進(jìn)一步改善48 V混動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)，降低成本)畢竟與傳統(tǒng)汽車相比，采用這種動(dòng)力系統(tǒng)的汽車價(jià)格仍要高出一截。中汽協(xié)為適應(yīng)國(guó)家燃油排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)整車主機(jī)廠也提出了“48 V混動(dòng)系統(tǒng)”的增加成本要<0.5萬元的要求。隨著整車控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)2030年中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上、非石化能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右的偉大目標(biāo)，在不久的將來，48 V弱混技術(shù)將成為汽車的標(biāo)配。