任坤騰

摘要：分析了48 V中混系統(tǒng)中的P0架構(gòu)對于傳統(tǒng)內(nèi)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(jié)果表明，48 V P0架構(gòu)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(huán)（NEDC）工況下，發(fā)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(guān)鍵詞：混合動力;柴油機;綜合性能;燃油耗;排放

0?前言

當(dāng)前，汽車行業(yè)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(guī)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(nèi)燃機效率很難達到這一要求。隨著汽車混動技術(shù)及電池技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)內(nèi)燃機有被混動及純電車型取代的趨勢。但是，在中短期內(nèi)，帶有制動能量回收的混動系統(tǒng)被認為是汽車行業(yè)降低CO2排放最有效的技術(shù)?？梢哉J為，傳統(tǒng)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(shù)路線。汽車行業(yè)正面臨著自誕生以來最大的技術(shù)變革。

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

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(zhuǎn)動慣量，以及由此引發(fā)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(guī)模普及與應(yīng)用的1項重要制約因素。

本文針對48 V中混系統(tǒng)，開展了技術(shù)研究，采用了柴油動力。主要研究目的在于發(fā)掘48 V中混系統(tǒng)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(tǒng)對發(fā)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(yōu)勢將是柴油機匹配48 V中混系統(tǒng)能否在乘用車上大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

1?48 V中混系統(tǒng)架構(gòu)

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(tǒng)有5種不同的拓撲架構(gòu)[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(fā)動機前端，皮帶式起動發(fā)電機（BSG）;（2）P1.電機位于發(fā)動機和離合器之間的曲軸上，集成式起動發(fā)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(gòu)來說，它可以取代傳統(tǒng)的交流發(fā)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(diào)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(fā)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(dāng)BSG處于回收模式且發(fā)動機停機時，發(fā)動機倒拖扭矩增大，并減少轉(zhuǎn)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(fā)動機阻力扭矩，以及考慮到傳動系統(tǒng)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(gòu)依然是目前最容易實現(xiàn)的方式，并且性價比相對最高。P0架構(gòu)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(yīng)商體系、整車電壓平臺、系統(tǒng)成本等因素，當(dāng)前的P0架構(gòu)以48 V為主流模式。

本文研究基于48 V P0架構(gòu)而開展，增加了48 V BSG電機、電池、直流轉(zhuǎn)換等，相關(guān)車輛參數(shù)如表1所示。

圖2所示為當(dāng)前P0系統(tǒng)的架構(gòu)圖。發(fā)動機與BSG電機通過皮帶、雙向張緊器實現(xiàn)連接。BSG的控制器通過48 V電池和48.12 V直流交換，實現(xiàn)電源交互功能。此架構(gòu)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(shù)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(fā)動機正常起動。在發(fā)動機暖機后，為整個48 V電網(wǎng)建立起電壓，隨即由BSG電機負責(zé)起動，以及完成發(fā)動機起停功能。

2?48 V中混系統(tǒng)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(yīng)特性對內(nèi)燃機運行有較好的輔助作用。因此匹配48 V P0架構(gòu)的系統(tǒng)，內(nèi)燃機性能會得到不同程度的提高。

2.1?起動性能

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

48 V P0中混系統(tǒng)的起動模式是由電機將發(fā)動機拖拽到800 r/min左右，之后發(fā)動機開始進氣、噴油和點火。這種起動模式可以避免發(fā)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(tǒng)的起動表現(xiàn)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(zhuǎn)速起動的另外1項優(yōu)勢是可以顯著改善整車NVH性能的表現(xiàn)。

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(tǒng)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(zhuǎn)動慣量比較大，起動阻力也相應(yīng)較大。現(xiàn)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(jié)合當(dāng)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(yīng)進行了調(diào)整。

如圖4所示，針對某2.0T型柴油機，當(dāng)環(huán)境溫度為-5 ℃以上時，采用48 V起動的策略;當(dāng)環(huán)境溫度在-30～-5 ℃之間，采用傳統(tǒng)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(tǒng)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(fā)動機轉(zhuǎn)速被拖拽到800 r/min左右，之后混動控制單元控制內(nèi)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(fā)動機轉(zhuǎn)速拖拽到1 300 r/min。之后，發(fā)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(fā)動機曲軸上。當(dāng)電機與發(fā)動機同向運轉(zhuǎn)提供助力時，曲軸端扭矩相應(yīng)提高，該部分疊加的扭矩有助于提高整個動力系統(tǒng)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(zhuǎn)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(yīng)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(tǒng)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(tài)響應(yīng)影響

BSG電機的扭矩提升速度要遠快于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，尤其是優(yōu)于轉(zhuǎn)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(yīng)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(dāng)前，柴油機后處理系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(jù)不同的標(biāo)定策略輸出扭矩，從而降低發(fā)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(biāo)定策略，在保證電池荷電狀態(tài)（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(dāng)車速為47.6 km/h時，輪系速比為3，電機扭矩為11.9 N·m，發(fā)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(fā)動機的對外扭矩輸出，從而減少了發(fā)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(chǔ)車型由于受變速箱硬件的限制，自動停機一般發(fā)生在0～3 km/h的車速工況范圍內(nèi)。其主要原因在于該變速箱在發(fā)動機停機之前需要維持300～600 r/min的飛輪轉(zhuǎn)速，以此來給變速箱蓄能器提供蓄能。這就存在著從發(fā)動機恢復(fù)供油（發(fā)動機轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速約600 r/min、車速大約6 km/h左右），發(fā)動機需要通過噴油來維持此轉(zhuǎn)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(tǒng)之后，通過開發(fā)BSG的輔助怠速功能，在此車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速段內(nèi)，通過BSG電機維持飛輪端轉(zhuǎn)速，而發(fā)動機維持斷油狀態(tài)，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(huán)（WLTC）循環(huán)中，燃油耗降低了0.6%。

3?結(jié)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(tǒng)架構(gòu)，在新歐洲行駛循環(huán)（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(biāo)值的差距，為企業(yè)減小了負積分損失。同時，發(fā)動機原始排放平均下降了25%，也為后續(xù)研究如何在增加48 V P0系統(tǒng)架構(gòu)后降低后處理的成本提供了參考。

4?總結(jié)

48 V中混系統(tǒng)在傳統(tǒng)發(fā)動機起停技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供了額外的系統(tǒng)節(jié)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(gòu)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(yīng)快，彌補了傳統(tǒng)柴油機在低速段扭矩低、響應(yīng)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(gòu)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(tǒng)的成本作用非常明顯。

可以預(yù)見，在未來5～10年內(nèi)的汽車節(jié)能減排路線中，48 V電機系統(tǒng)將會在柴油動力中得到越來越多的應(yīng)用。

參考文獻

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[2]祁克光，黃開勝.增強型起動機起停系統(tǒng)與48V BSG技術(shù)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(tǒng)怠速啟停技術(shù)應(yīng)用趨勢分析[J].汽車工業(yè)研究，2015（10）：41.47.

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