48V混動技術對整車油耗的影響分析

張士路，王洪靜，郭文松，杜成磊

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230022）

1 概述

隨著國家對汽車油耗法規的要求越來越高，為了使企業的平均油耗到 2015年、2020 年分別達到6.9L/100km和5 L/100km的要求，各OEM都致力于純電動汽車、清潔能源汽車、燃料電池汽車以及混合動力汽車的研發。

混合動力按照電機在整車動力總成布置位置的不同分為P0、P1、P2、P3、P4等技術方案。

（1）P0混動方案，即整個動力輔助設備裝在了發動機的前部，該輔助系統包括電動機、電動渦輪、一體式發電機/起動機、高壓發電機等，代表車型奧迪SQ7TDI。

（2）P1和P2模式基本相同，唯一區別在于電動機和發動機之間有沒有離合器，是不是可以切斷電動機的輔助驅動。P1的結構是在發動機飛輪裝上轉子，只要發動機在運轉，轉子就跟著旋轉，給定子加一個交流電壓，轉子就會輸出動力。P1系統并沒有純電行駛模式。代表車型：本田CR-Z、Insight。而P2是目前市面混動車型采用最多的模式。通過在發動機與變速箱之間插入兩個離合器和一套電動機，來實現混動。和P1不同的是，P2系統實現純電驅動了。代表車型奧迪 a3 e-Tron。

（3）P3模式是將電動機挪到了變速箱的末端。代表車型：本田i-DCD、比亞迪-秦。

（4）P4模式是把電動機放在了驅動橋，直接驅動車輪。這種混動模式主要用于跑車和越野SUV上。例如保時捷918 Spyder、謳歌NSX、寶馬i8等跑車，它們的前輪就是由電動機直接驅動的。

本文通過在某車型上搭載48V P0混合動力方案及控制策略進行分析，通過NEDC循環測試，探討混動功能對燃油經濟性的影響， 對低壓混合動力的研究和應用具有一定的參考意義。

2 48V P0混動系統方案

2.1 48V P0混動系統硬件方案

48V P0混動系統的硬件如圖1所示，包含發動機控制單元（ECU）、雙向張緊器、一體式發電機/起動機（BSG）、電機控制器（MCU）、48V動力電池及控制系統(BMS)、DC/DC變壓器等部件。

圖1 48V P0混動系統的硬件組成

其中BSG通過雙向張緊器布置于發動機前端位置，可用于整車助力或者能量回收；DC/DC變壓器采用的是雙向可逆的直流變壓器，主要用于48V和12V之間的電壓轉換；48V動力電池采用的磷酸鐵鋰電池（LFP），用于電能的儲存；雙向張緊器主要是用于調整電機處于發電和電動時前端輪系的主從動輪的關系；ECU和MCU主要是發動機和BSG的控制單元，其中MCU集成在BSG內部；HCU為整車控制器，集成在ECU內部，從而降低成本。

2.2 48V P0混動系統軟件方案

48V P0混動技術方案和傳統車相比，系統可以實現自動起停、電動助力、智能能量管理，如圖2所示；

（1）起停功能：BSG起停分為自動停機、改變駕駛意圖重起、起停停機、BSG起動四種狀態；在BSG起動后，如果扭矩需求、離合器、檔位、車速、SOC滿足要求，進入電子怠速狀態。

（2）電動助力功能：是指在瞬態加速時，如果發動機轉速不超過閾值、油門踏板變化率以及油門開度達到一定閾值，利用BSG電機實現短暫的助力功能。

（3）智能能量管理：1）為使發動機工作在萬有特性油耗曲線的經濟區，在48V電池SOC高時，電能通過BSG轉化為扭矩輸出到發動機，在SOC低時，BSG將發動機扭矩轉化為電能存儲到48V電池中；2）在減速或者制動過程中，系統處于能量回收狀態，通過 BSG進行能量回收；3）根據 12V系統中的用電負載以及12V蓄電池的SOC，混動系統會智能的調整12V蓄電池的充電電壓，從而實現12V電池智能發電。

圖2 48V P0混動系統軟件組成

3 48V P0混動控制策略開發

3.1 控制策略開發流程

48V P0混動系統的控制策略開發完全按照ISO 26262的V型開發流程，如圖3所示：分別為需求制定、軟件架構設計、圖形化建模仿真、代碼轉換集成測試，硬件在環測試以及整車的標定驗證，同時在前期的需求以及架構設計也同步進行功能安全設計，對系統中存在的軟件硬件可能的風險點進行識別，并制定規避措施或者冗余的安全防護。

圖3 軟件開發V流程

3.2 核心控制模塊

48V混動系統控制模塊主要分為以下幾大模塊：（1）上下電模塊，簡稱PMM模塊；是指控制整車電控系統，如BSG、48V動力電池、ECU、DC/DC等核心控制器喚醒、初始化以及下電時的休眠等動作；（2）扭矩需求模塊，簡稱TQD模塊，主要是依據駕駛員油門踏板的開度以及變化率，識別出駕駛員的需求扭矩；（3）扭矩分配模塊，簡稱TQS模塊，是指依據混動系統的能力和發動機運行經濟區域來對TQD模塊的扭矩請求進行合理的分配，從而保證混動系統運行在最佳經濟區；（4）能量管理模塊，簡稱HSM模塊，主要是與TQS模塊一起，對混動系統的能量進行有效的管理，從而保證系統運行最佳。簡單的理解可以認為HSM是決策模塊，決定不同的工況發動機和電機的扭矩，TQS模塊是一個執行模塊。

3.3 節油策略設計

48V混動技術主要涉及節油的策略主要有三種：一是發動機起停技術；二是保持發動機工作在萬有特性區域內；三是能量回收。

（1）發動機起停技術：是指在遇到紅燈或者擁堵路況時，又或者在車輛低速行駛時候，發動機主動停機，利用48V動力電池給整車進行供電；需要發動機起動時，BSG會直接將發動機拖動至較高轉速，如700rpm，

而避免傳統起動時的加濃導致油耗和排放變差。

（2）發動機工作在外特性區域，是指在滿足駕駛員需求扭矩的情況下，通過BSG的充放電功能，維持發動機運行在萬有特效區域內，從而降低油耗。

（3）能量回收，是指在滑行階段和制動階段，可以利用電機發電產生能量儲蓄在48V動力電池中，此部分能量用作BSG提供動力，避免了滑行和制動過程中能量的損失。

4 實車測試與結果分析

對于48V混動控制系統的設計方案，在NEDC工況下與傳統車在轉轂上進行對比測試，以證明48V混動系統對整車油耗的貢獻度。

試驗兩臺車輛除混動模塊區別外，其他參數均相同。按照國五法規規定的加載系數在轉轂進行加載，采用NEDC循環測試，試驗車輛排出廢氣經過稀釋后進入CVS-4000型定容采樣系統和AMA-4000型氣態排放物分析系統，試驗對比結果見下表。

表1 實車排放及油耗結果對比

為保證試驗的一致性，在排放開始前將12V電池充滿電，采集多組結果，保證數據的可靠性。從試驗結果看，混動模式對排放的影響不明顯，但對油耗的貢獻較為明顯，可以實現節油15%左右。

5 結論

本文基于 48V混動系統在整車上的應用方案進行了研究，主要利用常規駕駛過程中的起停技術，電機助力，以及能量回收等技術，實現了整車利用48V混動技術的節油目的。通過在實車上的測試及運用，表明48V混動技術對試驗目標整車油耗有15%的油耗貢獻度。

但是48V混動技術的發展還不僅僅局限于此，48V作為國家規定的低壓電壓范圍，在整車絕緣防護等方面可以節約很多的成本，所以國內對于48V混動技術的運用還在不斷的探索中，希望本文對后續的研究有一定的意義。