汽車48V P0 混動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

張勝，張慶虎，丁安邦，胡昌才，王義，蔣坤

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

引言

根據(jù)國(guó)家相關(guān)部委的法規(guī)分析，國(guó)家引導(dǎo)整車企業(yè)逐步向低油耗及電動(dòng)化方向發(fā)展。根據(jù)乘用車企業(yè)平均燃料消耗量要求，企業(yè)平均油耗在2020 年降至5L/100km，2025 年目標(biāo)值4L/100km。為了達(dá)到降油耗效果并考慮實(shí)際應(yīng)用，各主機(jī)廠對(duì)48V 混動(dòng)系統(tǒng)大力投入開發(fā)，本文主要以某車型為例，增加48V P0 系統(tǒng)核心件，通過整車及系統(tǒng)匹配，達(dá)到預(yù)期的節(jié)油效果。

1 48V 系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)為48V P0 系統(tǒng)，屬于48V 系統(tǒng)中基礎(chǔ)方案，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且成本低。該系統(tǒng)主要通過怠速起停、制動(dòng)能量回收等來降低油耗。通過48V 電機(jī)助力來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性提升。實(shí)現(xiàn)的功能主要如下：

（1）怠速啟停功能---停機(jī)條件滿足，等紅綠燈時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)，同時(shí)能夠自動(dòng)識(shí)別駕駛意圖，起步前用48V 電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，車輛上電初始設(shè)置為打開，該功能可手動(dòng)關(guān)閉。

（2）能量回收功能---含制動(dòng)能量回收等，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)模式。

（3）電動(dòng)助力功能---踩油門加速時(shí)，通過電機(jī)助力提高整車動(dòng)力性，此時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)模式。

（4）扭矩分配功能---根據(jù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則來決定發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的扭矩分配，此時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)模式。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整車48V P0 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，除了常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)由普通12V發(fā)電機(jī)替換為48V 電機(jī)（含MCU 電機(jī)控制器），還需增加48V 鋰電池（含BMS 電池控制器）及DC/DC（直流變壓器）等去實(shí)現(xiàn)混動(dòng)系統(tǒng)功能。混動(dòng)系統(tǒng)控制器集成在ECU 中，圖1 為48V 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)（含48V 電機(jī)）

搭載1.5L 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖2（a）所示。原12V 發(fā)電機(jī)替換成48V 電機(jī)。48V 電機(jī)同時(shí)具備發(fā)電機(jī)和起動(dòng)機(jī)的功能。作為發(fā)電機(jī)時(shí)，在制動(dòng)時(shí)可回收車輛動(dòng)能；作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，通過皮帶連接到曲軸提供動(dòng)力。電動(dòng)模式時(shí)，48V 電機(jī)額定功率為4kW，峰值功率為14kW，額定扭矩為6N.m，峰值扭矩為60N.m；發(fā)電模式時(shí)，48V 電機(jī)額定功率為5kW，峰值功率為14kW，額定扭矩為8N.m，峰值扭矩為43N.m。

圖1 48V 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）48V 電池（含BMS）

48V 電池為48V 用電設(shè)備提供電能，如圖2（b）所示。其可將制動(dòng)回收的能量存儲(chǔ)，電池容量8Ah，總能量360Wh，SOC 工作范圍30%～80%；充電時(shí)，BMS 閉合48V 電池系統(tǒng)繼電器，電機(jī)為電池進(jìn)行充電；放電時(shí)，BMS 閉合48V 電池系統(tǒng)繼電器，為48V 電機(jī)和DC/DC 提供電量； 48V 電池系統(tǒng)不參與充放電工作時(shí)，BMS 斷開繼電器。

圖2 1.5L 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)及48V 電池

（3）DC/DC

為整車上48V 和12V 電器網(wǎng)絡(luò)之間提供電壓轉(zhuǎn)換，其需CAN 通訊與整車調(diào)試功能，正向輸出時(shí)，DC/DC 將48V 電池能量傳給12 電池。逆向輸出時(shí)，將12V 電池能量傳給48V電池使用。

2 48V 系統(tǒng)控制策略

48V 混動(dòng)控制系統(tǒng)的功能主要集中在ECU 中， 具備啟停、加速助力、制動(dòng)能量回收及上下電管理功能及配合充電功能。當(dāng)48V 系統(tǒng)條件滿足時(shí)，整車上電后的第一次啟動(dòng)由48V 電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

車輛行駛過程中，根據(jù)駕駛需求，可控制48V 電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)需要發(fā)出電動(dòng)扭矩，實(shí)現(xiàn)48V 系統(tǒng)的扭矩分配和助力功能；當(dāng)車輛處于制動(dòng)過程中，48V 系統(tǒng)可以通過使48V 電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，回收能量，給48V 電池充電，實(shí)現(xiàn)能量回收功能。

當(dāng)12V 電池的電量不滿足整車需求時(shí)，48V 電池可以通過48V/12V 雙向DC/DC 給12V 電池提供能量，保障整車用電量需求；當(dāng)車輛處于怠速，滿足條件時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)啟停功能。具體控制策略見圖3，控制策略中的具體邏輯見表1。

圖3 48V 系統(tǒng)控制策略

表1 具體控制邏輯

3 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性對(duì)比

原1.5L 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，低端扭矩為184N.m@1500r/min，最大凈扭矩為 210N.m@2000-4000r/min，最大凈功率為108kW@5500r/min；增加48V 電機(jī)后的發(fā)動(dòng)機(jī)，低端扭矩提升為235N.m@1500r/min，最大凈扭矩提升為251N.m@1750 r/min，最大凈功率提升為116kW@5500r/min。具體參數(shù)詳見圖4 外特性參數(shù)對(duì)比。通過增加48V 電機(jī)，具備低速助力及加速助力功能，整車動(dòng)力性有所提升，通過怠速起停及制動(dòng)能量回收功能，為整車降油耗做出貢獻(xiàn)。

圖4 外特性參數(shù)對(duì)比

3.2 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性測(cè)試對(duì)比

針對(duì)某車型，WLTC 工況下，其與傳統(tǒng)車在轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以證明48V 混動(dòng)系統(tǒng)對(duì)整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)度。兩臺(tái)試驗(yàn)車，除了混動(dòng)模塊零部件區(qū)別以外，輪廓、風(fēng)阻、滾阻及輪胎等其他參數(shù)均相同。測(cè)試結(jié)果如表中所示，最高車速、百公里加速、最大爬坡度及WLTC 綜合油耗均有所提升。具體詳見表2。

表2 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性測(cè)試對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了一種新型48V P0 混動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能定義及系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

以某車型為基礎(chǔ)，開發(fā)48V P0 方案，通過48V 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架驗(yàn)證及整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，說明該系統(tǒng)對(duì)整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性有一定的貢獻(xiàn)。增加48V 電機(jī)后，低速扭矩有35%左右的提升。整車百公里加速時(shí)間從12.2S 縮短至10.2S 左右。整車百公里油耗從8L/100km 降低到7.3L/100km 左右，預(yù)計(jì)節(jié)油率8.8%左右，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。