日產公司新型混合動力總成“e-POWER”

木村誠 秋山秀勝

0 前言

日產汽車公司全新開發的混合動力總成“e-POWER”系統于2016年配裝在小型轎車“NOTE”車型上，又于2018年配裝在廂式旅行車“SERENA”車型上。e-POWER除了具備傳統的混合動力汽車(HEV)的良好燃油經濟性外，同時由于僅采用電機驅動，可為客戶提供強勁的動力性能和駕駛愉悅性[1]。

1 e-POWER系統的定位

為了進一步實現安全的、可持續發展的交通環境，日產汽車公司正在將車輛的智能化與電驅動化作為產品經營的核心技術(圖1)。這樣的技術開發策略、經營理念將有助于提高技術的適應性，同時能改善環境問題，并相應減少交通事故發生機率。目前汽車電動化進程已從僅在傳統內燃機上附加電動化部件的水平，發展到由電機驅動的最終目標，即電動汽車(EV)。本文所介紹的e-POWER，由于與EV共用動力傳動系統，將對EV的正式普及與應用發揮起到正面推動作用[2]。

圖1 日產汽車公司技術開發方案的2個方向

e-POWER系統最大限度地運用了純電動系統的優勢，發電系統從動力傳動系統中分離出來并作為機械裝置的技術(車輛的汽油機作為發電專用動力裝置)有以下優勢：快速、線性、順暢的加速體驗；頂尖的燃油經濟性能；與EV相近的靜音性；通過“e-POWER驅動”即可獲得全新的駕駛體驗。

2 e-POWER的概況

采用串聯式混合動力系統的e-POWER的最大特點在于動力傳動系統與發電系統從機構上得以分離。圖2示出了系統結構。

圖2 e-POWER系統的結構布置

e-POWER系統通過VCM進行控制。VCM則與MC、GC、BMS及ECM相連接，通過最佳發電方式進行能量管理與驅動力控制。由于動力傳動系統具有與發電系統從機構上得以分離的特點，通過與EV同樣的電機驅動方式即可提供良好的行駛性能。同時，發動機在高效的工作點進行運轉，并力求改善燃油耗。此外，發動機能在有利于實現減振降噪的運行區工作。圖3示出了e-POWER系統的外觀。表1列出其結構部件的主要技術規格。發電系統是以配裝于NOTE車型上的HR12DE型發動機為基本機型，由該機型與電動發電機所組成。采用的動力電池為鋰離子蓄電池。為實現快速的加速響應，而采用了高功率的型號。

圖3 e-POWER外觀

表1 e-POWER系統的主要技術規格

當其配裝于廂式旅行車(mini-Van)SERENA車時，可將電機轉矩提高26%，將最大輸出功率提高25%，確保其在廂式旅行車上使用時具有充裕的動力性能。此外，隨著電機功率的不斷提高，將作為供電源的鋰離子蓄電池的功率提高20%，并從EV上體驗到良好的加速響應性(圖4)。而且，就廂式旅行車而言，即使多人乘車旅行，也要求可在整個速度區發揮良好的加速響應性，除了使蓄電池容量增加22%外，作為發電專用的HR12DE型發動機，實現了與SERENA e-POWER車型的整合，通過使發動機的最大功率提高7%，并使蓄電池達到完全充電的狀態(SOC)區域。

圖4 e-POWER系統的良好加速過程

3 系統設計

3.1 系統設計理念

e-POWER系統具備只由鋰離子蓄電池供電即可行駛的技術潛力。圖5的●和▲表示NOTE e-POWER車更具代表性的行駛工況。另外，在山區道路等區域進行高負荷連續運轉時，則由電機實現供電行駛(圖5的◆所示)，通過結合蓄電池與電機的協同供電方式，可以實現與EV同樣強勁的加速效果。

圖5 能量消耗及產生功率的平衡

3.2 頂級水平的燃油經濟性

e-POWER系統的發動機與動力傳動系統并非通過機構而是直接連接的，并且可任意選定發動機的轉速與扭矩。通過VCM運算各部件的目標值，以便有效運用這些特征，在各項性能要求(動力、駕駛性能、噪聲、振動、排放、散熱、采暖、制動負壓、零件保護、故障診斷等)的容許范圍內具備最佳的燃油經濟性。此外，如圖6所示，在驅動功率比最佳燃油耗點更低的情況下，用其剩余電力向蓄電池充電，進而控制發動機的工作點。在驅動功率較高時，通過由剩余電力供給的能量(A)和補充車輛加速時所需的能量(B)，使發動機的工作點盡量接近車輛最佳燃油耗點，進而使燃油耗降至最低。

圖6 能量管理的概念

其結果表明，NOTE e-POWER車與其他相似的車型相比，實現了在較高頻度下的最佳燃油耗工況點的運轉(圖7)。在SERENA e-POWER車上，擴展了最佳燃油耗區，在低車速與中高車速工況下，不僅可運用最佳的耗油率，還可劃分工作點區域以實現運行(圖8)。

圖7 實際燃油經濟性的工作點(日產公司)

圖8 內燃機工作點的分布

3.3 與EV相似的靜音性

為了實現與EV相似的靜音性，設定了EV行駛區，即僅使用鋰離子蓄電池供電即可行駛的區域。圖9表示SERENA e-POWER車的EV狀態行駛區。其涵蓋了日本市場上行駛頻度較高的中低速區，并且可擴展到其他HEV的中低速行駛區。即使在高速區，鋰離子蓄電池SOC較高的情況下，也應最大限度地持續以EV狀態行駛，而當SOC有所降低時，在發電設計上應做到與發動機噪聲相比，運行更加安靜的技術特點，并對鋰離子蓄電池充電。

結果表明，參考市場上客戶通常用車方法為代表的行駛模式(包括在城區道路、小區公路、交通滯塞道路、高速公路等路況下行駛)中各個車速區的EV行駛時間所占的比例，NOTE e-POWER車占據約50%，SERENA e-POWER車占有約45%的份額，實現在中低速區域內較高的EV工況行駛比例。

圖9 EV行駛區域達到的水平

4 提供新型駕駛體驗的“e-POWER驅動”

e-POWER系統可充分運用只使用電機作為動力源的技術特點，將制動能量回收系統、坡道路段校正、抑制低摩擦因數(μ)道路滑移控制等技術進行有機結合，設定了兼顧駕駛性與耗油率的良好運行模式。并將該運行模式稱為“e-POWER驅動方式”，以此滿足客戶的需求[3]。

從e-POWER的驅動方式來看，NOTE e-POWER車上只要操縱加速踏板，即可實現在90%左右的路況下的通用的行駛模式，堪稱全新的駕駛方式。在此需要具備2種要素：設計在操縱加速踏板時由于減速而出現的滑行轉矩；便于控制車輛制動時的減速度。

關于滑行轉矩的設計，通過有效地運用作為電機驅動優勢的設計自由度，如圖10所示，能涵蓋90%以上的路況下行駛所需的制動減速度，其結果表明，只需操縱加速踏板，即可實現有效減速，并可緩解減速時踩踏制動踏板的操作。

圖10 e-POWER驅動的實際減速頻率與制動減速度的特征

關于減速度的可控制性，采用加速踏板操縱以實現減速時，根據駕駛員操縱過程的分析結果，著眼于以下3種形式的減速：在跟隨前方車輛行駛時，通過操縱(加速踏板)以產生微小減速；在交叉點停車等使用膝部操縱產生的減速；與前方車輛的車距較小時，通過停止踩踏加速踏板以實現減速。組合上述操縱方式并獲得駕駛員所需的減速度，如圖11所示，e-POWER驅動僅通過加速踏板進行操縱，并以此實現制動減速度的可控性。

圖11 減速分布圖

5 增強e-POWER系統EV行駛的習慣駕駛模式及充電模式

作為SERENA e-POWER車上的充滿潛力的功能，通常采用習慣駕駛模式及充電模式。e-POWER系統的發動機與動力傳動系統并非通過機構而是直接連接，所以可不按行駛狀態實現自行發電。e-POWER系統是僅通過電機驅動的動力總成系統，因為利用發動機在盡可能最佳的燃油耗工況點進行發電，所以采用具有較大容量的蓄電池。充分利用該特點，駕駛員可以不根據行駛狀態，按照任意時間對蓄電池進行強制充電，就能使發動機停止運轉，并通過蓄電池儲存的電能實現靜音行駛。當習慣駕駛模式無法維持EV行駛的情況下(蓄電池SOC較低，或進行適度暖機時)，設定了即便用戶按下習慣駕駛模式鍵，該模式也不會運作。

圖12示出了習慣駕駛模式的評價結果。這種評價并非與車輛狀態一致，而是在各種各樣的行駛狀態中采用習慣駕駛模式，進而評價EV的行駛時間與路程。e-POWER系統的所有測試數據表明其可實現350 m以上或者1 min以上的EV行駛狀態，80%的數據表明其可實現3 min以上的EV行駛狀態。如果符合條件，最大可以實現距離約6 km，或時長11 min左右的EV行駛狀態。這是傳統HEV所無法實現的，可為用戶提供HEV的全新價值，即用戶通過精心操作，可長時間體驗以往由純電動車(BEV)提供的靜音行駛性能。

圖12 習慣駕駛模式所達到的技術水平

6 結語

日產汽車公司重點關注了EV由電機驅動的技術特點，為眾多客戶提供了具有良好行駛性能的車型，為此開發了動力總成e-POWER，并將其配裝到了全新的NOTE、SERENA車型上。因此，驅動系統具有與日產公司LEAF車型相同的控制體系，共享了電機驅動控制技術及相關零部件。此外，利用e-POWER驅動的行駛模式，只需操縱加速踏板，就能輕易地進行車輛的加速及減速控制，實現了全新的駕駛體驗。而且，在SERENA e-POWER車型上，設定了全新的習慣駕駛模式，用戶僅通過按鍵操作，即可以進行EV狀態行駛。