48V中混系統對柴油動力綜合性能改善的研究

任坤騰

摘要：分析了48 V中混系統中的P0架構對于傳統內燃機，尤其是對于柴油機的綜合性能改善效果。為了進行量化驗證，在某臺匹配2.0T柴油機和8AT變速箱的全尺寸SUV上進行了改制與試驗驗證。結果表明，48 V P0架構在該車型上的起動性能和動力性能有明顯改善。同時，在新歐洲行駛循環（NEDC）工況下，發動機的原始排放中，氮氧化物（NOx）改善了25%左右，燃油耗降低了11%，有效地改善了整車燃油耗。

關鍵詞：混合動力;柴油機;綜合性能;燃油耗;排放

0?前言

當前，汽車行業越來越受到來自于政府和社會公眾要求降低燃油耗的壓力，有史以來最嚴格的汽車燃油耗法規也正逐步向所有車型推廣。例如，歐盟要求新車到2020年的CO2排放達到95 g/km，即汽油車百公里燃油耗為4.11 L，柴油車百公里燃油耗為3.60 L。中國政府要求到2020年汽車平均百公里燃油耗達到5 L，美國、日本等其他國家也有類似的要求。

然而，僅依靠提高內燃機效率很難達到這一要求。隨著汽車混動技術及電池技術的發展，傳統內燃機有被混動及純電車型取代的趨勢。但是，在中短期內，帶有制動能量回收的混動系統被認為是汽車行業降低CO2排放最有效的技術?？梢哉J為，傳統動力總成的電氣化是未來提高效率及降低燃油耗的1條非?？尚械募夹g路線。汽車行業正面臨著自誕生以來最大的技術變革。

48 V混合動力技術屬于中混系統的范疇，基本具備了全混系統或者深度混合動力的全部功能，如起停、助力、能量回收、發動機工況點調整、一定車速下的純電行駛、純電起步、發動機熄火滑行等功能。48 V中度混合動力系統相比純電動系統降低了成本，同時也實現了降低CO2和污染物排放的綜合目標。

相對于汽油動力，柴油動力具有昂貴的后處理成本、相對較大的轉動慣量，以及由此引發的起動和怠速噪聲.振動.平順性（NVH）抱怨，這是柴油機無法在乘用車上大規模普及與應用的1項重要制約因素。

本文針對48 V中混系統，開展了技術研究，采用了柴油動力。主要研究目的在于發掘48 V中混系統對于柴油動力綜合性能的提升，同時初步探討48 V中混系統對發動機原始排放的降低效果，以及由此引起的后處理成本下降的收益。上述優勢將是柴油機匹配48 V中混系統能否在乘用車上大規模應用的關鍵。

1?48 V中混系統架構

如圖1所示，取決于電機在整個動力總成上的不同布置，混動系統有5種不同的拓撲架構[1]，48 V混動亦是如此。5種不同布置形式分別是：（1）P0.電機位于發動機前端，皮帶式起動發電機（BSG）;（2）P1.電機位于發動機和離合器之間的曲軸上，集成式起動發電機（ISG）;（3）P2.電機位于變速箱的輸入軸處;（4）P3.電機位于變速箱的輸出軸處;（5）P4.電機位于沒有機械連接的傳動車軸上。

對于P0架構來說，它可以取代傳統的交流發電機，而且只需要對前端附件傳動（FEAD）的皮帶和皮帶輪張緊器進行調整，使BSG能夠在2個扭矩方向上工作。通過BSG提供動力來輔助發動機，或在制動時回收動能。因此，在P0位置安裝電機的成本和變化較小。但是，P0拓撲的主要缺點是效率較低。這是因為皮帶傳動不如其他拓撲中使用的齒輪傳動更加有效。當BSG處于回收模式且發動機停機時，發動機倒拖扭矩增大，并減少轉換為電能的能量。P0電機理論上可以支持純電行駛工作模式，但是由于電機必須克服發動機阻力扭矩，以及考慮到傳動系統部件的損失，因此工作效率非常低。

盡管如此，綜合上述利弊，P0架構依然是目前最容易實現的方式，并且性價比相對最高。P0架構的BSG電機可以有不同的電壓范圍，如12 V、36 V、48 V、86 V、115 V，甚至350 V等。綜合整個供應商體系、整車電壓平臺、系統成本等因素，當前的P0架構以48 V為主流模式。

本文研究基于48 V P0架構而開展，增加了48 V BSG電機、電池、直流轉換等，相關車輛參數如表1所示。

圖2所示為當前P0系統的架構圖。發動機與BSG電機通過皮帶、雙向張緊器實現連接。BSG的控制器通過48 V電池和48.12 V直流交換，實現電源交互功能。此架構保留了12 V起動電機，以保證低溫起動性能，以及首次車輛起動過程。

在大多數情況下，首次起動一般都會采用12 V起動機拖動的方式，以保證發動機正常起動。在發動機暖機后，為整個48 V電網建立起電壓，隨即由BSG電機負責起動，以及完成發動機起停功能。

2?48 V中混系統對柴油機性能的改善

電機的低速大扭矩特性和快速的扭矩響應特性對內燃機運行有較好的輔助作用。因此匹配48 V P0架構的系統，內燃機性能會得到不同程度的提高。

2.1?起動性能

傳統柴油機的起動或者起停，依賴于12 V起動電機來實現。由于起動電機自身功率的限制，常規的起動方式是通過12 V起動機將發動機轉速拖拽到200～300 r/min左右，之后內燃機通過增大進氣量、加濃混合氣的方式進入怠速狀態。但是，這樣會帶來燃油耗和排放的惡化[2]。

48 V P0中混系統的起動模式是由電機將發動機拖拽到800 r/min左右，之后發動機開始進氣、噴油和點火。這種起動模式可以避免發動機從300 r/min到怠速階段時候起動的不平順性，縮短起動時間。2種系統的起動表現如圖3所示。

從圖3可以看出，48 V電機相對于12 V電機，起動時間縮短50%以上。高轉速起動的另外1項優勢是可以顯著改善整車NVH性能的表現。

通過在48 V P0柴油動力車的方向盤、座椅處安裝Z方向加速度傳感器并測量加速度，以此來評估NVH性能。試驗表明，48 V P0系統能夠明顯地改善NVH性能，如表2所示。

在通常情況下，柴油機動力的轉動慣量比較大，起動阻力也相應較大?，F階段，48 V電池的低溫放電功率尚不足以完全克服此阻力矩。結合當前48 V電池的充放電功率特性，研究人員對48 V電機的起動策略相應進行了調整。

如圖4所示，針對某2.0T型柴油機，當環境溫度為-5 ℃以上時，采用48 V起動的策略;當環境溫度在-30～-5 ℃之間，采用傳統12 V電機起動與48 V電機BSG綜合起動的策略。在此策略下，起動時間約為傳統12 V電機起動的33%～50%左右，起動時間大幅度縮短，起動性能大幅度改善。

在48 V電機BSG起動方式下，發動機轉速被拖拽到800 r/min左右，之后混動控制單元控制內燃機以理論空燃比進氣、噴油、點火，達到降低燃油耗和排放的目的。如圖5所示，在起動瞬間，BSG提供了55 N·m的扭矩，將發動機轉速拖拽到1 300 r/min。之后，發動機開始噴油、點火，確保了良好的起動性能，并且減少了起動噴油量[3]。

2.2?外特性扭矩影響

48 V BSG電機通過皮帶耦合到發動機曲軸上。當電機與發動機同向運轉提供助力時，曲軸端扭矩相應提高，該部分疊加的扭矩有助于提高整個動力系統的扭矩外特性。如圖6所示，針對某型2.0T 柴油機，輪系速比為3.3，外特性有了明顯提升，尤其在低轉速1 000 r/min時，使最大扭矩提高約50%。

最大扭矩的提高也會相應改善整車百公里加速性能。如圖7所示，搭載某2.0T型柴油機、匹配8AT自動變速箱的SUV車型在匹配48 V電機系統之后，百公里加速性能實測改善了0.9 s，效果明顯。

2.3?瞬態響應影響

BSG電機的扭矩提升速度要遠快于傳統內燃機，尤其是優于轉動慣量比較大的柴油機。因此，48 V BSG對于匹配柴油動力車型的低速扭矩響應有明顯改善。如圖8所示，針對某款匹配2.0T 柴油機、8AT自動變速箱的SUV車型，試驗表明，在小油門、低車速情況下，起步加速度有明顯改善。在30%油門開度下，48 V BSG起步加速度提高了約1倍。同時，如50%等不同油門開度下的起步加速度均有不同程度的改善。

2.4?排放

由于柴油機采用稀薄燃燒，氮氧化物（NOx）排放是首要問題。當前，柴油機后處理系統的典型處理方式是采用氧化催化器（DOC）、選擇性催化還原（SCR）系統和帶SCR的柴油機顆粒捕集器（SDPF）等。理論和實踐都表明，大部分NOx排放來自于冷起動階段，以及每個瞬態加速階段。

在匹配了48 V BSG電機之后，在同樣油門開度下，保持車輛運行所需要的總扭矩不變，電機可以根據不同的標定策略輸出扭矩，從而降低發動機負荷，減少廢氣排放。

針對某款搭載2.0T型柴油機，匹配8AT自動變速器的SUV車型，研究人員通過嘗試不同的標定策略，在保證電池荷電狀態（SOC）平衡的前提下，盡可能多的提高了電機扭矩輸出，從而達到降低NOx排放的目的。如圖9所示，當車速為47.6 km/h時，輪系速比為3，電機扭矩為11.9 N·m，發動機扭矩約為84.2 N·m左右。此時，飛輪端總輸出扭矩為119.9 N·m，而BSG電機扭矩占了總輸出扭矩的42%左右，大幅度減少了發動機的對外扭矩輸出，從而減少了發動機原始排放[4]。

2.5?高速起停

某款搭載2.0T柴油機，匹配8AT的SUV車型，其不帶48 V版本的基礎車型由于受變速箱硬件的限制，自動停機一般發生在0～3 km/h的車速工況范圍內。其主要原因在于該變速箱在發動機停機之前需要維持300～600 r/min的飛輪轉速，以此來給變速箱蓄能器提供蓄能。這就存在著從發動機恢復供油（發動機轉速大約1 100 r/min、車速大概11 km/h左右）到進入自動停機時刻（發動機轉速約600 r/min、車速大約6 km/h左右），發動機需要通過噴油來維持此轉速需求，而這將帶來燃油耗的損失。

如圖10所示，在匹配48 V BSG系統之后，通過開發BSG的輔助怠速功能，在此車速和發動機轉速段內，通過BSG電機維持飛輪端轉速，而發動機維持斷油狀態，以此達到降低燃油耗的目的。通過仿真表明，在全球輕型汽車測試循環（WLTC）循環中，燃油耗降低了0.6%。

3?結果分析

如圖11所示，在某款搭載2.0T柴油機，匹配8AT自動變速器的SUV車型上，通過搭建48 V P0系統架構，在新歐洲行駛循環（NEDC）工況下，平均燃油耗下降了11%，縮小了該車型與第五階段燃油耗目標值的差距，為企業減小了負積分損失。同時，發動機原始排放平均下降了25%，也為后續研究如何在增加48 V P0系統架構后降低后處理的成本提供了參考。

4?總結

48 V中混系統在傳統發動機起停技術的基礎上，提供了額外的系統節油效果，并提供了更好的駕駛體驗。針對柴油動力， 48 V電機P0架構通過BSG電機提供動力輔助和能量回收，大幅減少了汽車停機過程中的能量損失。同時，由于電機低速扭矩大、響應快，彌補了傳統柴油機在低速段扭矩低、響應慢的劣勢，加快了整車起動速度，提升了駕駛體驗。此外，48 V電機P0架構在降低燃油耗的同時，對污染物排放有較明顯的改善。這對于降低柴油動力昂貴的后處理系統的成本作用非常明顯。

可以預見，在未來5～10年內的汽車節能減排路線中，48 V電機系統將會在柴油動力中得到越來越多的應用。

參考文獻

[1]RAN B，VICTOR A，JAMES B. Effect of 48 V mild hybrid system layouts on powertrain system efficiency and its potential of fuel economy improvement[C].SAE paper 2017.01.1175.

[2]祁克光，黃開勝.增強型起動機起停系統與48V BSG技術分析[J].汽車電器，2016（7）：44.47.

[3]趙冬昶，王昊，禹如杰，等. 48 V汽車電氣系統怠速啟停技術應用趨勢分析[J].汽車工業研究，2015（10）：41.47.

[4] 王震，哈迪，張威威，等. 48 V微混系統降低油耗策略分析[J].汽車技術，2017（2）：1.4.