燃油車48V混動系統P0架構混動模式性能優化策略研究

雷志豪 武珊

摘要：汽車的普及引發環境污染問題，目前國家出臺一系列措施降低汽車排放，減少尾氣對環境的污染，其中包括推廣應用不同拓撲結構的混動車輛系統等。基于此，提出了一種基于48 V混動系統P0架構的燃油車混動模式性能優化策略，對車輛混動模式進行優化改進和升級，然后進行分析驗證。結果表明，該48 V混動系統P0架構的燃油車污染排放、功能、經濟性和整車動力性等均提高約23%以上，滿足了混動系統升級改造需求。

關鍵詞：燃油車；48 V混動系統；P0架構；混動模式；性能優化策略

中圖分類號：U469? 收稿日期：2023-04-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.004

1 前言

節能減排是目前國家大力倡導的一種環保理念。在政府部門的推行之下，汽車行業也開始推廣低耗能汽車，但是在現有的技術條件下，很難通過發動機升級來提高汽車整車節能性。在48 V混動技術支撐下，車輛開發的成本大大降低，它為車輛整車燃油性能優化和節能減排提供了保障[1]。本文通過在混合動力汽車中搭載48 V混動系統P0架構，并對某家用多用途汽車BSG電機進行優化，以提高整車性能，并基于車輛混動模式性能優化策略降低汽車污染排放，改善駕駛體驗。

2 燃油車48V混動系統P0架構

在車輛工程中，電機的實際布置位置，往往決定了燃油車48 V混動系統P0架構具體情況。就現階段而言，我國燃油車48 V混動系統一共包含了6種完全不同的P0拓撲架構體系[2]。在圖1所示的不同拓撲架構中，一般主要在汽車發動機前端輪系處布置燃油車48 V混動系統P0架構的電機，而混動系統P1架構和混動系統P2架構的電機則分別布置于車輛變速器與發動機之間和變速器輸入軸處，另外，混動系統P3架構、P4架構及PS架構的電機一般分別布置于車輛變速器的輸出軸處、傳動車軸中（此處沒有機械連接）和變速器內部區域[3]。

以某家用多用途汽車為例，本研究在帶有12 V自啟停系統的MPV車型上搭載和配置基于P0架構的48 V皮帶傳動啟動/發電一體化BSG電機混動系統，在此基礎上對該燃油/電動兩用汽車進行性能優化改進，結果發現，經過對原車48 V動力電池、BSG電機和DC-DC直流變換器等部件進行改造，增加了新的自動啟停系統，大大提升了整車的燃油動力性能[4]。表1所示為經過改造優化后的車輛相關動力參數。

在本研究項目中，此家用多用途汽車BSG與發動機之間主要采用皮帶進行傳動，而DC-DC直流變換器以及48 V動力電池及BSG一體化電機之間主要通過逆變器實時轉換電壓。在該混動系統拓撲架構中，發動機是主要的車輛驅動源，與此同時，基于一體化電機為車輛行駛提供相應的輔助動力[5]。另外，本項目還保留了原有的12 V皮帶傳動自啟動電機，從而確保車輛48 V電池及發動機在冬季低溫或者電池實際電量過低的情況下，能夠快速正常啟動以保證車輛的正常行駛。

3 燃油車48 V混動系統P0架構混動系統功能

3.1 發動機怠速自啟動功能

目前，市面上推出的燃油車48 V混動系統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混動系統可以同時實現12 V微混、48 V高混等各項混動功能。在車輛行駛前，車載皮帶傳動啟動/發電一體化電機主要依靠汽車內置的動力電池所提供的巨大能量，將汽車發動機的實際轉速由“0”拖拽到“怠速”狀態。與傳統的12 V微混型汽車發動機相比，本研究使用的是同時兼具12 V微混、48 V高混等各項混動功能的混動系統的電機，該電機具有更高的運行功率，因此它能夠在更短的時間范圍之內，將汽車發動機的實際轉速由“0”拖拽到“怠速”狀態。在汽車發動機怠速自動啟動功能實現過程中，發動機啟動時的NVH聲振粗糙度具有良好的表現，噪聲較小，振動不大[6]。

3.2 純電驅動功能

混動系統車輛發動機在汽車剛起步運行時，所需的實際功率往往較小。在這種情況之下，可以采用純電動驅動的方式來將汽車啟動和行駛過程中的實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濟性。

3.3 其他功能

除了怠速自動啟動和純電驅動之外，燃油車48 V混動系統還可實現汽車的起步助力。比如在汽車啟動過程中，當油門踏板開度明顯比系統預設的實際閾值高時，系統將會自動激活和觸發助力模式，在這種工況之下就可實現對汽車的起步助力，但需要注意的是，由于混動系統車輛具體型號不同，所以系統預設的閾值也應根據車輛實際情況進行標定。

在汽車行駛之中，此燃油車48 V混動系統的電機可以替代發動機車上匹配的12 V電機，更好地發揮其發電功能。在車輛運行一段距離后，車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機可以通過接受混動系統的發電機輸出的一部分動力，從而將其實時轉化為電池能量，同時還可為汽車發動機提供反向的動力，以保證汽車發動機能夠輸出相應的輔助動力。

在對汽車發動機運行工況進行實時優化時，還需要有效標定汽車車載皮帶傳動啟動/發電一體化電機運行參數，使其能夠更加安全、可靠和經濟地工作運行，同時還可針對汽車發動機的工作工況點進行更好的調整，以保證汽車發動機始終能夠處于一種高效運行狀態[7]。

4 燃油車48 V混動系統P0架構混動模式性能優化策略

4.1 怠速自啟動功能優化

燃油汽車在怠速啟動過程中，HCU混合動力整車控制器會根據汽車的擋位條件、前艙蓋以及主駕車門閉合狀態、車輛剎車條件等，對車輛運行工況進行判斷，然后決定是否應該啟動BSG車載皮帶傳動啟動/發電一體化電機。在此基礎上，結合汽車電機故障情況、車載電池SOC實際荷電狀態等，判斷分析是否應該優先啟動48 V車載皮帶傳動啟動/發電一體化電機[8]。

在本研究中，燃油車48 V混動系統P0架構下的車載皮帶傳動啟動/發電一體化電機最大能夠輸出高達3倍輪系速比疊加運行工況之下的52 N·m瞬時扭矩，則實際瞬時扭矩可以達到156 N·m，由此能夠確保車輛實現快速的動力輸出和啟動功能，其中，經過優化改進后的怠速自啟動功能還能在最大程度上實現車輛的平順啟動，由此使得汽車駕駛人員的舒適感大大增強，也顯著提高和改善了車輛的NVH性能。

從圖2可以看出，該基礎家用多用途汽車配置了P0架構的48 V混動系統之后，車輛在啟動過程中，怠速自啟動時間由原來的0.6 s降低到改進后的0.3 s，在怠速自啟動時間縮短3 s的基礎上，該車輛發動機自啟動時的實際噪聲也由原來的25 dB降低到改進優化后的10～13 dB左右。

4.2 車輛起步助力功能優化

在汽車需要起步行駛時，或者當汽車駕駛員有超速的駕駛需求時，該車輛的HCU系統會根據車輛的具體擋位信息、駕駛員踩踏汽車油門踏板的開度實際增加率以及車載電池的具體SOC狀態來有效分析和判斷、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，同時系統還能夠判斷車輛所需的助力扭矩大小。經過分析發現，該基礎家用多用途汽車48 V車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機系統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動力響應特征，同時還能夠將汽車的動力系統扭矩提高35%左右。

經過對車輛運行數據進行實測，結果發現某試驗車輛僅需要大約2.5 s的時間，即可將車輛由0 km/h的速度加速提升到50 km/h的運行速度，同時將車輛由0 km/h的速度加速提升到100 km/h的運行速度，只需要0.45 s左右的時間，比原來的加速時間縮短約0.25 s左右，另外，車輛在35%左右的油門加速工況下，汽車在起步時的加速性能顯著提高了45%以上。

4.3 能量回收功能優化

在所有不同類型的混合動力汽車中，能量回收也是一項非常重要的功能，該項功能不僅可以有效減少汽車剎車系統損耗，而且還可將部分多余的能量及時回收，通過電機反向發電，對汽車行駛時的部分機械制動能量進行轉化，既節省了汽車發動機能量，又大大提高了汽車剎車系統整體的壽命。本研究為了實現能量最大化，在汽車降速運行工況之下，通過充分了解和掌握不同時段汽車在循環行駛時的加速度、速度、可用能量以及功率等制動特性，以提高汽車能耗經濟性。

4.4 變速器電機干預換檔功能優化

混合動力汽車變速器在擋位升高時，會請求車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機降低扭矩，有效調節汽車發動機實際轉速，當HCU收到發動機“降扭矩”、“升擋”等請求命令時，系統會根據車輛運行時的實際工況，有效評估48 V混動系統的實際狀態，然后對車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機的扭矩進行重新分配，從而盡可能確保汽車發動機扭矩保持不變。另外，車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機還可實時響應車輛變速器在擋位實時上升過程中的“發動機降低扭矩”請求，從而能夠有效防止汽車發動機瞬時升高其實際轉速，保證整車碳污染排放量在一定范圍內，由此大大提高混合動力汽車的整車燃油經濟性。

5 結語

在混合動力車型中，采用高壓系統的HEV和本研究采用的48 V車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機系統具備的功能基本相同，它可以通過優化汽車發動機機械工況點，從而將發動機負荷工況點由低效率區域向高效率區域轉移。經過工況點轉移優化，能夠有效降低車輛行駛時的碳污染排放量，同時還可使混動汽車發動機始終能夠在最經濟區進行運行，由此大大提升汽車燃油的經濟性。具體優化策略及其效果表現如下：

a.當混合動力系統發動機在高負荷狀態下進行工作運行，且當車載電池實時剩余電量在50%以上時，車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機將輸出正扭矩，從而有效減小汽車混合動力系統發動機的實際工作負荷。

b.當混合動力系統發動機在高負荷狀態下進行工作運行，且當車載電池實時剩余電量在50%時，車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機將主要以動力輸出方式為主，提高電機充電效率。

c.當混合動力系統發動機在低負荷狀態下進行工作運行，且當車載電池實時剩余電量在50%以下時，車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機將通過為發動機提供輸出發電扭矩，以此實現對車載電池進行充電，同時提高發動機運行工作負荷，并確保車載皮帶傳動啟動／發電一體化電機能夠始終處于一種較為理想的工況點進行合理運行。

參考文獻：

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作者簡介：

雷志豪，男，1996年生，助理工程師，研究方向為車輛工程。