燃油車48V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)混動(dòng)模式性能優(yōu)化策略研究

雷志豪 武珊

摘要：汽車的普及引發(fā)環(huán)境污染問題，目前國(guó)家出臺(tái)一系列措施降低汽車排放，減少尾氣對(duì)環(huán)境的污染，其中包括推廣應(yīng)用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混動(dòng)車輛系統(tǒng)等?；诖?，提出了一種基于48 V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)的燃油車混動(dòng)模式性能優(yōu)化策略，對(duì)車輛混動(dòng)模式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和升級(jí)，然后進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，該48 V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)的燃油車污染排放、功能、經(jīng)濟(jì)性和整車動(dòng)力性等均提高約23%以上，滿足了混動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)改造需求。

關(guān)鍵詞：燃油車；48 V混動(dòng)系統(tǒng)；P0架構(gòu)；混動(dòng)模式；性能優(yōu)化策略

中圖分類號(hào)：U469? 收稿日期：2023-04-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.004

1 前言

節(jié)能減排是目前國(guó)家大力倡導(dǎo)的一種環(huán)保理念。在政府部門的推行之下，汽車行業(yè)也開始推廣低耗能汽車，但是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，很難通過發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)來提高汽車整車節(jié)能性。在48 V混動(dòng)技術(shù)支撐下，車輛開發(fā)的成本大大降低，它為車輛整車燃油性能優(yōu)化和節(jié)能減排提供了保障[1]。本文通過在混合動(dòng)力汽車中搭載48 V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)，并對(duì)某家用多用途汽車BSG電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，以提高整車性能，并基于車輛混動(dòng)模式性能優(yōu)化策略降低汽車污染排放，改善駕駛體驗(yàn)。

2 燃油車48V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)

在車輛工程中，電機(jī)的實(shí)際布置位置，往往決定了燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)具體情況。就現(xiàn)階段而言，我國(guó)燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)一共包含了6種完全不同的P0拓?fù)浼軜?gòu)體系[2]。在圖1所示的不同拓?fù)浼軜?gòu)中，一般主要在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系處布置燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)的電機(jī)，而混動(dòng)系統(tǒng)P1架構(gòu)和混動(dòng)系統(tǒng)P2架構(gòu)的電機(jī)則分別布置于車輛變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間和變速器輸入軸處，另外，混動(dòng)系統(tǒng)P3架構(gòu)、P4架構(gòu)及PS架構(gòu)的電機(jī)一般分別布置于車輛變速器的輸出軸處、傳動(dòng)車軸中（此處沒有機(jī)械連接）和變速器內(nèi)部區(qū)域[3]。

以某家用多用途汽車為例，本研究在帶有12 V自啟停系統(tǒng)的MPV車型上搭載和配置基于P0架構(gòu)的48 V皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化BSG電機(jī)混動(dòng)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)該燃油/電動(dòng)兩用汽車進(jìn)行性能優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過對(duì)原車48 V動(dòng)力電池、BSG電機(jī)和DC-DC直流變換器等部件進(jìn)行改造，增加了新的自動(dòng)啟停系統(tǒng)，大大提升了整車的燃油動(dòng)力性能[4]。表1所示為經(jīng)過改造優(yōu)化后的車輛相關(guān)動(dòng)力參數(shù)。

在本研究項(xiàng)目中，此家用多用途汽車BSG與發(fā)動(dòng)機(jī)之間主要采用皮帶進(jìn)行傳動(dòng)，而DC-DC直流變換器以及48 V動(dòng)力電池及BSG一體化電機(jī)之間主要通過逆變器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換電壓。在該混動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的車輛驅(qū)動(dòng)源，與此同時(shí)，基于一體化電機(jī)為車輛行駛提供相應(yīng)的輔助動(dòng)力[5]。另外，本項(xiàng)目還保留了原有的12 V皮帶傳動(dòng)自啟動(dòng)電機(jī)，從而確保車輛48 V電池及發(fā)動(dòng)機(jī)在冬季低溫或者電池實(shí)際電量過低的情況下，能夠快速正常啟動(dòng)以保證車輛的正常行駛。

3 燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)混動(dòng)系統(tǒng)功能

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自啟動(dòng)功能

目前，市面上推出的燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)主要分為高混型燃油車、48 V中混型汽車以及12 V微混型汽車等不同類型，其中，本研究采用的48 V混動(dòng)系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)12 V微混、48 V高混等各項(xiàng)混動(dòng)功能。在車輛行駛前，車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)主要依靠汽車內(nèi)置的動(dòng)力電池所提供的巨大能量，將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由“0”拖拽到“怠速”狀態(tài)。與傳統(tǒng)的12 V微混型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相比，本研究使用的是同時(shí)兼具12 V微混、48 V高混等各項(xiàng)混動(dòng)功能的混動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)，該電機(jī)具有更高的運(yùn)行功率，因此它能夠在更短的時(shí)間范圍之內(nèi)，將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由“0”拖拽到“怠速”狀態(tài)。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)啟動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的NVH聲振粗糙度具有良好的表現(xiàn)，噪聲較小，振動(dòng)不大[6]。

3.2 純電驅(qū)動(dòng)功能

混動(dòng)系統(tǒng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車剛起步運(yùn)行時(shí)，所需的實(shí)際功率往往較小。在這種情況之下，可以采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式來將汽車啟動(dòng)和行駛過程中的實(shí)際排放量降低至最小，由此可以大大提升汽車的整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.3 其他功能

除了怠速自動(dòng)啟動(dòng)和純電驅(qū)動(dòng)之外，燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)汽車的起步助力。比如在汽車啟動(dòng)過程中，當(dāng)油門踏板開度明顯比系統(tǒng)預(yù)設(shè)的實(shí)際閾值高時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)激活和觸發(fā)助力模式，在這種工況之下就可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的起步助力，但需要注意的是，由于混動(dòng)系統(tǒng)車輛具體型號(hào)不同，所以系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值也應(yīng)根據(jù)車輛實(shí)際情況進(jìn)行標(biāo)定。

在汽車行駛之中，此燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)可以替代發(fā)動(dòng)機(jī)車上匹配的12 V電機(jī)，更好地發(fā)揮其發(fā)電功能。在車輛運(yùn)行一段距離后，車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)可以通過接受混動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)輸出的一部分動(dòng)力，從而將其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為電池能量，同時(shí)還可為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供反向的動(dòng)力，以保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能夠輸出相應(yīng)的輔助動(dòng)力。

在對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化時(shí)，還需要有效標(biāo)定汽車車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，使其能夠更加安全、可靠和經(jīng)濟(jì)地工作運(yùn)行，同時(shí)還可針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作工況點(diǎn)進(jìn)行更好的調(diào)整，以保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)始終能夠處于一種高效運(yùn)行狀態(tài)[7]。

4 燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)混動(dòng)模式性能優(yōu)化策略

4.1 怠速自啟動(dòng)功能優(yōu)化

燃油汽車在怠速啟動(dòng)過程中，HCU混合動(dòng)力整車控制器會(huì)根據(jù)汽車的擋位條件、前艙蓋以及主駕車門閉合狀態(tài)、車輛剎車條件等，對(duì)車輛運(yùn)行工況進(jìn)行判斷，然后決定是否應(yīng)該啟動(dòng)BSG車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合汽車電機(jī)故障情況、車載電池SOC實(shí)際荷電狀態(tài)等，判斷分析是否應(yīng)該優(yōu)先啟動(dòng)48 V車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)[8]。

在本研究中，燃油車48 V混動(dòng)系統(tǒng)P0架構(gòu)下的車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)最大能夠輸出高達(dá)3倍輪系速比疊加運(yùn)行工況之下的52 N·m瞬時(shí)扭矩，則實(shí)際瞬時(shí)扭矩可以達(dá)到156 N·m，由此能夠確保車輛實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)力輸出和啟動(dòng)功能，其中，經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后的怠速自啟動(dòng)功能還能在最大程度上實(shí)現(xiàn)車輛的平順啟動(dòng)，由此使得汽車駕駛?cè)藛T的舒適感大大增強(qiáng)，也顯著提高和改善了車輛的NVH性能。

從圖2可以看出，該基礎(chǔ)家用多用途汽車配置了P0架構(gòu)的48 V混動(dòng)系統(tǒng)之后，車輛在啟動(dòng)過程中，怠速自啟動(dòng)時(shí)間由原來的0.6 s降低到改進(jìn)后的0.3 s，在怠速自啟動(dòng)時(shí)間縮短3 s的基礎(chǔ)上，該車輛發(fā)動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)的實(shí)際噪聲也由原來的25 dB降低到改進(jìn)優(yōu)化后的10～13 dB左右。

4.2 車輛起步助力功能優(yōu)化

在汽車需要起步行駛時(shí)，或者當(dāng)汽車駕駛員有超速的駕駛需求時(shí)，該車輛的HCU系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車輛的具體擋位信息、駕駛員踩踏汽車油門踏板的開度實(shí)際增加率以及車載電池的具體SOC狀態(tài)來有效分析和判斷、決策車輛是否需要在起步行駛或者超速過程中提供一定的助力，同時(shí)系統(tǒng)還能夠判斷車輛所需的助力扭矩大小。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該基礎(chǔ)家用多用途汽車48 V車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)系統(tǒng)在助力行駛工況之下，能夠顯著改善和提升汽車的整車瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)特征，同時(shí)還能夠?qū)⑵嚨膭?dòng)力系統(tǒng)扭矩提高35%左右。

經(jīng)過對(duì)車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)某試驗(yàn)車輛僅需要大約2.5 s的時(shí)間，即可將車輛由0 km/h的速度加速提升到50 km/h的運(yùn)行速度，同時(shí)將車輛由0 km/h的速度加速提升到100 km/h的運(yùn)行速度，只需要0.45 s左右的時(shí)間，比原來的加速時(shí)間縮短約0.25 s左右，另外，車輛在35%左右的油門加速工況下，汽車在起步時(shí)的加速性能顯著提高了45%以上。

4.3 能量回收功能優(yōu)化

在所有不同類型的混合動(dòng)力汽車中，能量回收也是一項(xiàng)非常重要的功能，該項(xiàng)功能不僅可以有效減少汽車剎車系統(tǒng)損耗，而且還可將部分多余的能量及時(shí)回收，通過電機(jī)反向發(fā)電，對(duì)汽車行駛時(shí)的部分機(jī)械制動(dòng)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，既節(jié)省了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能量，又大大提高了汽車剎車系統(tǒng)整體的壽命。本研究為了實(shí)現(xiàn)能量最大化，在汽車降速運(yùn)行工況之下，通過充分了解和掌握不同時(shí)段汽車在循環(huán)行駛時(shí)的加速度、速度、可用能量以及功率等制動(dòng)特性，以提高汽車能耗經(jīng)濟(jì)性。

4.4 變速器電機(jī)干預(yù)換檔功能優(yōu)化

混合動(dòng)力汽車變速器在擋位升高時(shí)，會(huì)請(qǐng)求車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)降低扭矩，有效調(diào)節(jié)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，當(dāng)HCU收到發(fā)動(dòng)機(jī)“降扭矩”、“升擋”等請(qǐng)求命令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車輛運(yùn)行時(shí)的實(shí)際工況，有效評(píng)估48 V混動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)，然后對(duì)車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)的扭矩進(jìn)行重新分配，從而盡可能確保汽車發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩保持不變。另外，車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)還可實(shí)時(shí)響應(yīng)車輛變速器在擋位實(shí)時(shí)上升過程中的“發(fā)動(dòng)機(jī)降低扭矩”請(qǐng)求，從而能夠有效防止汽車發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)升高其實(shí)際轉(zhuǎn)速，保證整車碳污染排放量在一定范圍內(nèi)，由此大大提高混合動(dòng)力汽車的整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

在混合動(dòng)力車型中，采用高壓系統(tǒng)的HEV和本研究采用的48 V車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)系統(tǒng)具備的功能基本相同，它可以通過優(yōu)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械工況點(diǎn)，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況點(diǎn)由低效率區(qū)域向高效率區(qū)域轉(zhuǎn)移。經(jīng)過工況點(diǎn)轉(zhuǎn)移優(yōu)化，能夠有效降低車輛行駛時(shí)的碳污染排放量，同時(shí)還可使混動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)始終能夠在最經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行運(yùn)行，由此大大提升汽車燃油的經(jīng)濟(jì)性。具體優(yōu)化策略及其效果表現(xiàn)如下：

a.當(dāng)混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行工作運(yùn)行，且當(dāng)車載電池實(shí)時(shí)剩余電量在50%以上時(shí)，車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)將輸出正扭矩，從而有效減小汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作負(fù)荷。

b.當(dāng)混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行工作運(yùn)行，且當(dāng)車載電池實(shí)時(shí)剩余電量在50%時(shí)，車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)將主要以動(dòng)力輸出方式為主，提高電機(jī)充電效率。

c.當(dāng)混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行工作運(yùn)行，且當(dāng)車載電池實(shí)時(shí)剩余電量在50%以下時(shí)，車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)將通過為發(fā)動(dòng)機(jī)提供輸出發(fā)電扭矩，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)車載電池進(jìn)行充電，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工作負(fù)荷，并確保車載皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)能夠始終處于一種較為理想的工況點(diǎn)進(jìn)行合理運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：

雷志豪，男，1996年生，助理工程師，研究方向?yàn)檐囕v工程。