采用48 V混動系統(tǒng)優(yōu)化燃油車性能的策略分析

郝寶青，楊衛(wèi)松，王祥

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

在節(jié)能減排的社會共識下，汽車行業(yè)越來越多地受到了來自于政府和社會公眾要求降低汽車燃油消耗量的壓力。在現(xiàn)有發(fā)動機技術(shù)水平下，汽車行業(yè)很難僅通過升級發(fā)動機技術(shù)完成如此大的挑戰(zhàn)[1]。發(fā)動機電動化技術(shù)的研發(fā)工作越來越受到各汽車廠家的重視。

48 V混動技術(shù)，尤其是電機布置在發(fā)動機前端輪系處的架構(gòu)(以下簡稱“P0架構(gòu)”)是當前發(fā)動機電動化最容易實施的技術(shù)路徑。相比高壓混動(以下簡稱“高混”)和純電動，采用48 V混動系統(tǒng)P0架構(gòu)可以達到降低CO2和污染物排放量的目的，同時可以降低項目開發(fā)成本。

本文分析了不同拓撲架構(gòu)、不同電壓平臺的混動技術(shù)，通過在帶有12 V自動啟停系統(tǒng)的基礎(chǔ)型家用多用途汽車(MPV)車型上搭載皮帶傳動啟動/發(fā)電一體化電機(BSG)，著重研究了配置P0架構(gòu)的48 V混動系統(tǒng)對燃油車性能提升的優(yōu)化策略，并分析了傳統(tǒng)發(fā)動機的電動化升級所帶來的整車燃油經(jīng)濟性、排放及駕駛性能的影響。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

混動系統(tǒng)架構(gòu)取決于電機的布置位置，目前混動系統(tǒng)共有6種不同的拓撲架構(gòu), 如圖1所示。其中，P0架構(gòu)的電機一般布置在發(fā)動機前端輪系處，P1架構(gòu)的電機一般布置在發(fā)動機和變速器之間，P2架構(gòu)的電機一般布置在變速器輸入軸處，P3架構(gòu)的電機一般布置在變速器的輸出軸處，P4架構(gòu)的電機一般布置在沒有機械連接的傳動車軸上，PS架構(gòu)的電機一般布置在變速器內(nèi)。

圖1 混動系統(tǒng)拓撲架構(gòu)

以某家用MPV為研究對象，改造了原車的12 V自動啟停系統(tǒng)，增加了48 V BSG、48 V動力電池、直流-直流(DC-DC)變換器等，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 改裝后的車輛參數(shù)

發(fā)動機與BSG之間通過皮帶傳動，BSG與48 V 動力電池、DC-DC變換器之間通過逆變器進行電壓轉(zhuǎn)換，主要驅(qū)動源是發(fā)動機，同時BSG也會提供輔助動力，如圖2所示。研究保留了12 V啟動電機，以保證在電池電量過低或冬季低溫的情況下發(fā)動機能正常啟動[2]。

圖2 48 V P0架構(gòu)

2 混動系統(tǒng)功能分析

混動系統(tǒng)包括12 V微混、48 V中混、高混等類型，其中48 V中混可以實現(xiàn)與高混相同的各項功能。圖3為48 V中混系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的系統(tǒng)功能。

圖3 48 V中混系統(tǒng)功能

2.1 怠速自動啟動

BSG依靠動力電池提供的能量直接將發(fā)動機轉(zhuǎn)速從零拖拽到怠速。相比傳統(tǒng)12 V啟動電機，48 V混動系統(tǒng)的電機功率更大，能在更短的時間內(nèi)將發(fā)動機拖拽到怠速狀態(tài)，并且發(fā)動機在啟動時的噪聲-振動-聲振粗糙度(NVH)表現(xiàn)更好。

2.2 純電驅(qū)動(電爬行或起步)

車輛剛起步時所需功率較小，此時可以采用純電驅(qū)動的方式，以此來降低車輛排放量，提高燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)。

2.3 起步助力

當油門踏板開度高于設(shè)定閾值時，助力模式被激活，此閾值需要針對不同的車輛進行標定。

2.4 行車發(fā)電

混動系統(tǒng)的電機一般都具備發(fā)電功能，可以替代發(fā)動機車上匹配的12 V電機。

2.5 發(fā)動機運行工況優(yōu)化

BSG可通過接受發(fā)動機的一部分輸出動力，轉(zhuǎn)化成電池能量，也可以反向為發(fā)動機提供輔助動力輸出。通過對BSG進行標定，可以更好地調(diào)整發(fā)動機的工作工況點，讓發(fā)動機始終運行在高效區(qū)。

2.6 加速助力

在車輛加速階段，BSG可以在較短時間內(nèi)輸出正扭矩以輔助發(fā)動機輸出動力，加速助力既可以彌補發(fā)動機瞬態(tài)扭矩響應(yīng)慢的缺點，又可以減小發(fā)動機對外輸出扭矩。

2.7 航行(扭矩輔助)

在傳統(tǒng)車輛自動變速器換檔過程中，為了保證換檔的平順性，需要在自動變速器升檔過程中降低發(fā)動機輸出扭矩，以避免發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬時升高，導(dǎo)致燃油消耗量的激增。48 V P0架構(gòu)混動系統(tǒng)在變速器換檔過程中可以通過BSG輔助，接受部分發(fā)動機扭矩，將動力轉(zhuǎn)化為電能儲存于動力電池，以此來降低發(fā)動機飛輪端的輸出扭矩，既達到了保證換檔舒適性的目的，又可以通過輔助發(fā)電來儲存能量，進一步降低燃油消耗量。

2.8 電動巡航

在車速較為平穩(wěn)且電池電量足夠的前提下，可以關(guān)閉發(fā)動機，僅依靠電機來驅(qū)動車輛前進。

2.9 能量回收(制動)

在踩剎車或者不踩剎車進行車輛減速時，整個傳動系統(tǒng)處于結(jié)合狀態(tài)，電機輸出負扭矩進行發(fā)電以提供反向制動力，回收的電能儲存在動力電池中以供動力輸出。

2.10 滑行

松開油門車輛滑行時，斷開發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的機械連接，然后關(guān)閉發(fā)動機以提高燃油經(jīng)濟性。

2.11 停機輔助

停機過程中BSG可以輸出負扭矩使發(fā)動機快速停機，以解決傳統(tǒng)發(fā)動機停機熄火過程中的抖動問題。在48 V混動系統(tǒng)P0架構(gòu)下，停機輔助可以解決3缸機普遍存在的熄火抖動問題。

不同拓撲架構(gòu)混動技術(shù)所能實現(xiàn)的功能見表2。

表2 不同拓撲架構(gòu)混動技術(shù)的功能對比

綜合對比各個電壓平臺下的混動架構(gòu)功能如圖4所示，其中HEV為混合電動汽車，PHEV為插電式混合動力汽車。

圖4 不同電壓平臺下的混動架構(gòu)功能

3 48 V中混控制策略研究

雖然48 V中混系統(tǒng)理論上具有上述提到的各種功能，但是在實際應(yīng)用過程中需要根據(jù)具體的車型配置、燃油經(jīng)濟性目標、動力性能目標等要求選擇合適的功能。本文研究的混動控制策略建立在2.0 T汽油機、8速自動變速器匹配48 V P0架構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要目的是為了降低燃油消耗量和污染物排放量，同時提升駕駛性能，因此對該混動系統(tǒng)的功能進行取舍，實現(xiàn)了以下功能[3]。

3.1 怠速自動啟動

怠速啟動時，混合動力整車控制器(HCU)會根據(jù)主駕車門、前艙蓋閉合狀態(tài)、檔位條件及剎車條件等判斷是否允許BSG啟動，并且根據(jù)電池荷電狀態(tài)(SOC)、電機故障情況、水溫條件等進行判斷，優(yōu)先使用48 V BSG進行啟動。48 V中混系統(tǒng)P0架構(gòu)啟動邏輯判斷關(guān)系如圖5所示。

圖5 48 V混動系統(tǒng)P0架構(gòu)啟動邏輯流程

48 V BSG系統(tǒng)最大可以輸出52 N·m瞬時扭矩，在3倍輪系速比疊加狀態(tài)下，48 V BSG系統(tǒng)最大可以輸出156 N·m的瞬時扭矩，可以達到車輛快速啟動、動力快速輸出的目的，能夠改善車輛的NVH性能、提高駕乘人員的舒適感、實現(xiàn)車輛平順啟動。通過12 V電機啟動與通過48 V BSG系統(tǒng)啟動的車輛狀態(tài)對比如圖6、圖7所示。由圖6可以看出：采用配置P0構(gòu)架的48 V混動系統(tǒng)后，車輛啟動時間從0.6 s縮短為0.3 s。由圖7可以看出：采用48 V混動系統(tǒng)P0構(gòu)架后，車輛啟動噪聲降低了10～15 dB。

圖6 12 V電機啟動與48 V BSG啟動的轉(zhuǎn)速對比

圖7 12 V電機啟動與48 V BSG啟動的噪聲對比

3.2 起步助力

在車輛起步階段或者當駕駛員有超速需求時，HCU會根據(jù)油門踏板開度增加速率、檔位信息、電池SOC來判斷是否需要提供助力，以及提供助力的扭矩大小。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，48 V BSG系統(tǒng)在助力工況下可以將整車動力系統(tǒng)的扭矩提升30%以上，車輛瞬態(tài)動力響應(yīng)特性得到明顯改善。實測數(shù)據(jù)表明，試驗車輛的0～50 km/h加速時間僅為3.5 s；0～100 km/h加速時間縮短0.4 s以上，30%～50%中小油門以下起步加速度提升33%以上，如圖8所示(其中，g為重力加速度)。

圖8 50%油門起步加速度對比

3.3 能量回收

能量回收是所有混動系統(tǒng)應(yīng)用過程中最重要的功能，該功能一方面節(jié)省了能量，另一方面又可以將部分機械制動能量通過電機反向發(fā)電的方式進行回收，可以減少剎車系統(tǒng)的磨損，提高剎車系統(tǒng)的使用壽命。

為了使車輛減速過程中回收的能量最大化，需要充分了解行駛循環(huán)中的車輛制動特性，如速度、加速度、功率和可用能量。表3對比了新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)和全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)(WLTC)2種工況中的部分測試要求，試驗車輛在NEDC和WLTC工況中的車速和制動功率如圖9和圖10所示。

表3 NEDC和WLTC的基本參數(shù)和減速信息

圖9 車輛在NEDC工況下的車速和制動功率

圖10 車輛在WLTC工況下的車速和制動功率

在傳統(tǒng)車輛的制動過程中，機械制動能量以摩擦熱量的形式自我損耗，這部分能量可以通過48 V BSG系統(tǒng)進行回收并加以利用，從而提高車輛的燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)。通過對制動功率進行時間的積分，可以計算出總制動能量。試驗車輛在NEDC和WLTC工況下的最大制動功率和總制動能量見表4。

表4 NEDC和WLTC工況下的最大制動功率和制動能量

由表4可以看出：在NEDC和WLTC工況中，車輛制動功率都大于20 kW，分別為25.5 kW和28.1 kW?？紤]到系統(tǒng)成本，試驗車輛采用48 V混動系統(tǒng)P0架構(gòu)，BSG的峰值功率為13～15 kW，并不能完全回收制動過程中產(chǎn)生的所有能量。在48 V中混系統(tǒng)P2、P3等架構(gòu)下，電機峰值功率均大于20 kW，能夠在車輛制動減速期間回收所有的制動能量。

3.4 發(fā)動機運行工況優(yōu)化

48 V BSG和采用高壓系統(tǒng)的HEV具備相同功能，可以將發(fā)動機負荷工況點向高效率區(qū)域轉(zhuǎn)移，發(fā)動機工況點的優(yōu)化策略如圖11所示。

圖11 發(fā)動機工況點的優(yōu)化策略

工況點轉(zhuǎn)移策略可使發(fā)動機始終運行在最經(jīng)濟區(qū)域，達到降低排放量和提高燃油經(jīng)濟性的目的。具體表現(xiàn)為：

(1) 在發(fā)動機高負荷工況，當電池SOC大于50%時，電機以輸出正扭矩為主要策略，以減小發(fā)動機工作負荷。

(2) 在發(fā)動機中負荷工況，以提高電機充電效率為優(yōu)先策略，若電池SOC高于50%，電機以動力輸出為主。

(3) 在發(fā)動機低負荷工況，當電池SOC低于50%時，發(fā)動機通過給電機輸出扭矩來提高工作負荷，電機輸出發(fā)電扭矩，給電池充電，同時確保發(fā)動機的運行工況點始終位于較為理想的工況點。

3.5 電機干預(yù)換檔

變速器升檔過程中會請求發(fā)動機降低扭矩來調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，當HCU接收到升檔、降扭矩請求時，會根據(jù)48 V混動系統(tǒng)的實時狀態(tài)進行評估，重新分配發(fā)動機和BSG的扭矩，盡可能保持發(fā)動機扭矩不變。BSG可以響應(yīng)變速器升檔過程中的降扭矩請求，避免發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬時升高，提高整車燃油經(jīng)濟性，滿足整車排放要求，如圖12所示。

圖12 電機干預(yù)換檔策略

3.6 其他功能

3.6.1 無源發(fā)電

48 V混動系統(tǒng)需要考慮當動力電池發(fā)生故障導(dǎo)致主正繼電器斷開時，12 V電機系統(tǒng)依然可以正常供電。該工況下通過電壓控制保證DC-DC變換器壓側(cè)的負荷消耗，確保12 V電機系統(tǒng)處于電平衡狀態(tài)。

通過創(chuàng)建算法實現(xiàn)目標電壓的設(shè)置，可通過比例-積分-微分(PID)控制，達到即便在動力電池發(fā)生故障時依然可以滿足車輛的用電平衡，如圖13所示。

圖13 無源發(fā)電控制邏輯

3.6.2 傳統(tǒng)發(fā)電

當動力電池SOC不處于最佳工作區(qū)間、電池溫度過高不能進入全功能工作狀態(tài)或者48 V混動系統(tǒng)發(fā)生故障需要進行電量平衡和低速率充電時，系統(tǒng)進入傳統(tǒng)發(fā)電模式。在傳統(tǒng)發(fā)電模式下，系統(tǒng)將根據(jù)電池SOC和DC-DC變換器消耗功率計算BSG的發(fā)電功率。

BSG發(fā)電過程中，一部分電量將用來給動力電池進行充電，還有一部分電量被DC-DC變換器用于電器附件供電，以及對12 V蓄電池進行充電，所以BSG發(fā)電功率包含動力電池的充電功率和DC-DC變換器消耗的功率，如圖14所示。

圖14 傳統(tǒng)發(fā)電邏輯

4 優(yōu)化效果

本研究采用了48 V混動系統(tǒng)P0架構(gòu)怠速自動啟動、起步助力、能量回收、發(fā)動機運行工況優(yōu)化、電機干預(yù)換檔等功能，并增加了無源發(fā)電和傳統(tǒng)發(fā)電作為48 V混動系統(tǒng)的安全保障，從而實現(xiàn)了WLTC工況下整車燃油消耗量降低10%、碳氫化合物(HC)排放量降低25%的優(yōu)異表現(xiàn)(如圖15所示)，并且車輛駕駛性能也得到了明顯提升，達到了項目開發(fā)預(yù)期目標。

圖15 48 V中混系統(tǒng)WLTC油耗、排放優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)語

采用48 V混動系統(tǒng)是對傳統(tǒng)發(fā)動機最有效的電動化升級方案，通過匹配48 V BSG系統(tǒng)提供動力輔助及能量回收，可以降低車輛在怠機過程中的能量損失；同時，相對傳統(tǒng)發(fā)動機，電機低速扭矩大、動力響應(yīng)快，能夠彌補傳統(tǒng)發(fā)動機在低速段扭矩小、響應(yīng)慢的劣勢，加快車輛啟動速度，提升駕駛體驗。不僅如此，配置P0架構(gòu)的48 V混動系統(tǒng)在降低整車燃油消耗量的同時改善了車輛尾氣排放情況，這對于降低傳統(tǒng)燃油發(fā)動機車型昂貴的尾氣后處理系統(tǒng)成本具有積極意義[4]。

在未來，隨著政府節(jié)能減排要求的提升與汽車新能源路線的進一步發(fā)展，可以預(yù)見，48 V混動系統(tǒng)將會在更多車型上得到應(yīng)用。