48V P0輕混系統設計及開發

虞衛飛，李杰，杜成磊，胡俊勇，肖海云，陳冠軍

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022）

前言

2016年170 多個國家共同簽署《巴黎協定》以通過行動安排控制全球氣溫上升幅度，我國政府提出將于2030年左右使二氧化碳排放達到峰值并爭取盡早實現。交通運輸行業目前是二氧化碳排放大戶，各國通過制定越來越嚴格的技術標準和油耗法規推動汽車節能減排技術的開發和應用。我國乘用車企業平均油耗目標值為2020年5L/100km，2025年4L/100km，呈逐年遞減狀態[1]。

為滿足燃料消耗量限制和企業平均油耗目標值，以及雙積分管理辦法的要求，行業內通過車輛阻力優化、動力系統電氣化等多種措施實現整車節油。而48V輕混、P2單電機混動、串并聯雙電機混動、增程式混動以及純電動是動力系統電氣化的幾種主流技術路線。其中，48V P0輕混系統搭載不同車型基于不同駕駛循環如NEDC（新歐洲駕駛循環）、WLTC（worldwide light-duty test cycle，全球輕型車測試循環）具有4-16%左右的節油率[2-5]，其具有對傳統燃油車改動小、可靠性高、成本低、性價比較高的優勢。且48V電壓平臺較傳統12V電壓平臺更能支持高功率的電氣負載，更易滿足汽車電動化、智能化、網聯化和共享化的供電需求。IHS、LMC、AVL、Valeo等全球知名調查和咨詢公司均預測48V在中國和全球汽車市場將占據較大比例。48V P0系統目前是德系和自主品牌量產車型主要電氣化方案之一。

鑒于48V P0輕混系統的優勢及整車節油減排需求，在搭載1.5TGDI汽油機和手動變速箱的多用途乘用車（MPV，multi-purpose vehicle）上開發了48V P0輕混系統。

1 48V P0系統架構

1.1 車輛參數

48V P0輕混系統基于多用途乘用車開發，該車具有整備質量大、縱置后驅、手動變速箱的特點。由于48V P0系統發動機起停迅速，可開發防熄火功能，因此對手動變速箱傳統駕駛習慣影響輕微，且在車輛起步快松離合時更不易熄火。設定該車型NEDC工況油耗目標為不高于8L/100km。部分車輛參數見表1。

表1 車輛參數

1.2 發動機參數

P0系統所搭載發動機為1.5TGDI直列四缸汽油機。缸內直噴增壓汽油機具有升功率高、實際駕駛油耗較低的優點，其部分參數見表2。

表2 發動機參數

1.3 P0系統架構

圖1、圖2分別為48V P0系統動力架構和電氣架構。動力系統主要部件有BSG（Belt-Driven Starter Generator，皮帶傳動啟動發電一體式電機）、雙向張緊器、發動機、離合器、變速箱、驅動橋。由于BSG電機具有發電和驅動兩種功能，且其傳動受力方向相反，因此需要雙向張緊器實現皮帶預緊。

圖1 P0系統動力架構

圖2 P0系統電氣架構

48V電氣系統有12V蓄電池、48V動力電池、DC/DC雙向逆變器、BSG。48V磷酸鐵鋰動力電池內置BMS管理系統、繼電器。48V系統未上電時，48V電網電壓在14V以下，此時48V動力電池繼電器兩端電壓壓差過大，若強行閉合易造成繼電器燒蝕。因此需要DCDC對48V電網進行升壓，在繼電器兩端壓差小于1V時進行閉合。該上電方式與高壓混動或純電系統不同。

2 關鍵部件匹配選型

BSG電機功率和48V動力電池可用容量范圍均會對P0輕混系統節油效果和成本產生影響，為使滿足油耗目標的成本最低，首先通過仿真模型進行關鍵部件的初步匹配選型，再進行實車驗證。為此基于MATLAB/Simulink開發了車輛[6]、發動機、變速箱、BSG電機、48V動力電池、ECU和HCU等模型，根據傳統燃油版原車數據進行模型校核。模型主要基于0-100km/h加速時間及NEDC循環進行仿真計算。表3仿真結果表明，BSG電機峰值功率大于10kW，電池可用容量大于100Wh，即能滿足NEDC循環8L/100km的油耗目標。根據全球供應系統已有產品規格，最終選擇峰值功率12kW、峰值扭矩55Nm的BSG電機； 8Ah/3.3V 1P14S電芯的48V動力電池。樣車實車測試結果表明該參數選型能夠滿足目標油耗需求。

表3 BSG峰值功率對油耗影響（仿真）

3 48VP0輕混功能開發

基于48V P0系統及整車配置，開發了增強起停、滑行和制動能量回收、電機助力、發動機工況優化等混動功能。

3.1 增強起停

不同于傳統12V起停功能一般停車才能停機，48V增強起停在車輛減速至15km/h以下即可進入停機模式，延長了停機時間，節油效果更優。

48V BSG電機功率比12V起停電機大，啟動時能快速地將發動機拖到目標怠速轉速（750-1000r/min），HCU再使能ECU噴油，發動機啟動時間縮短至0.4s，過程非常平順。

3.2 滑行和制動能量回收

該輕混系統具有滑行能量回收和制動能量回收功能，滑行或制動時，BSG電機處于發電模式，將車輛動能轉換成電能并儲存到動力電池中，在提高能源效率的同時減緩了剎車片的磨損。能量回收與制動系統為并行系統，互不影響。制動能量回收根據制動踏板開度調整制動扭矩大小。

3.3 電機助力

油門踏板開度超過閾值或油門踏板開度加速度超過閾值時，表明駕駛員有強烈的加速意圖。此時，BSG快速提供額外扭矩提升整車動力性，該部分功能尤其能大大提高發動機低端動力性和響應性，如圖3。

圖3 電機助力對外特性扭矩的提升

3.4 發動機工況優化

1.5TGDI發動機的高效率區在萬有特性圖中間，在低負荷和高負荷區發動機效率下降。在系統負荷需求低時使BSG處于發電模式以提高發動機實際負荷；在系統負荷需求高時使BSG處于驅動模式以降低發動機實際負荷，通過調整發動機實際運行工況來提高系統綜合效率，類似于對發動機負荷“削峰填谷”，如圖4。該功能節油能力與發動機效率梯度、電機功率和電池可用容量關系較大。由于電機發電和驅動、電池充放電都有效率損失，因此該功能需要綜合考慮系統效率最優。

圖4 發動機工況優化

4 實車測試結果與分析

在標定參數滿足排放法規以及可靠性的前提下，實車NEDC工況測試數據如圖5所示。NEDC工況第一次停車時水溫過低，為快速提升催化器溫度和水溫，減少排放，發動機禁止停機，此后其他停車時溫度已超過閾值，發動機均可停機。

圖5 48V P0輕混實車NEDC工況測試數據

BSG啟動發動機階段，能夠在0.4s左右快速平穩地將發動機拖到預定目標轉速，駕乘人員基本感覺不到發動機的停機與啟動。

整個NEDC循環期間，48V P0輕混系統頻繁地在增強起停、發動機工況優化、能量回收和發電等混動模式之間切換，48V動力電池不斷的充放電，SOC（state of charge，電池荷電狀態）始終在設計范圍之內（30%-80%）。NEDC循環起始和結束SOC差在5%以內，動力電池電能增減對油耗的影響可以不考慮。實測綜合油耗8.0L/100km，較無48V P0輕混系統的原車下降14%左右。0至100km/h加速時間為17.3s，較無48V P0系統減少2.9s。

表4 48V P0系統與原車數據對比

5 結論

本文基于搭載1.5TGDI汽油機的某多用途乘用車設計開發了48V P0輕混系統與控制策略。基于車輛和核心零部件的MATLAB/Simulink 模型進行電機和動力電池的匹配選型。完成動力總成和電氣系統的開發。完成48V P0輕混系統功能定義和控制策略開發。建立實車完成動力性和經濟性測試。結果表明，搭載48V P0輕混系統的實車較無該系統的原車NEDC綜合油耗下降14%，達到設計目標8L/100km；0至100km/h加速時間縮短2.9s；發動機停機與啟動過程平順迅速，舒適性較好；排放滿足法規要求。

48V P0輕混系統對整備質量較大的多用途乘用車經濟性提升較大，其在轎車、SUV（sport utility vehicle，運動型多用途汽車）和輕型商用車上，包括汽油機和柴油機，也能取得不錯的效果，是車企滿足油耗法規的主要技術路線之一。