48V微混系統(tǒng)降低油耗策略分析

王震 哈迪 張威威 馬小建

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

48V微混系統(tǒng)降低油耗策略分析

王震 哈迪 張威威 馬小建

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

本文通過(guò)對(duì)比了傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)和48V微混系統(tǒng)的特點(diǎn),分析了48V微混系統(tǒng)的油耗控制策略。為評(píng)估了48V微混系統(tǒng)各控制策略對(duì)油耗的影響，在某搭載1L增壓汽油機(jī)的樣車上，基于NEDC工況循環(huán)進(jìn)行了48V微混系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，48V微混系統(tǒng)比傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)降低了10.1%的油耗，試驗(yàn)油耗平均值為4.868 L/100 km，滿足了第四階段油耗目標(biāo)。

1 前言

現(xiàn)階段最嚴(yán)苛的第四階段燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)于2016年開(kāi)始實(shí)施，乘用車企業(yè)平均燃料消耗值（CAFC）將逐年遞減，至2020年所有乘用車企業(yè)必須滿足平均燃料消耗量5 L/100 km的要求，而由于現(xiàn)有技術(shù)很難滿足第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)，所以國(guó)內(nèi)各整車廠都在積極地尋找解決方案。48V微混系統(tǒng)以其低成本、高節(jié)油性能得到了各整車廠及電噴供應(yīng)商的認(rèn)同，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)混電動(dòng)車相比，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，48V微混系統(tǒng)車輛依靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)主要提供助力和能量回收，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；從安全角度來(lái)說(shuō)，48V微混系統(tǒng)車輛對(duì)電機(jī)功率要求較低，可使用中等大小的電壓值，安全成本低。

本文基于傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)與48V微混系統(tǒng)的特點(diǎn)，針對(duì)48V微混系統(tǒng)特有的控制策略進(jìn)行了分析，并在國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的NEDC（4個(gè)ECE+1個(gè)EUDC）循環(huán)中測(cè)試了兩種系統(tǒng)的油耗。

2 48V微混系統(tǒng)架構(gòu)

為了驗(yàn)證48V微混系統(tǒng)節(jié)油性能，對(duì)一臺(tái)具有12V起停系統(tǒng)的家用轎車進(jìn)行了改裝，將原發(fā)電機(jī)更換為BSG（Belt-driven Starter/Generator）電機(jī)，同時(shí)增加了48V電池、逆變器、DC/DC等零部件。改裝后試驗(yàn)車輛相關(guān)參數(shù)如表1所列。

表1 改裝后試驗(yàn)車輛相關(guān)參數(shù)

改裝后的48V微混系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與BSG電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶相連，BSG電機(jī)通過(guò)逆變器與48V電池和DC/DC連接，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪。48V微混系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)轎車上的12V起動(dòng)電機(jī)，以保證電池電量過(guò)低時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)。首次起動(dòng)使用12V起動(dòng)機(jī)，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)，進(jìn)入起停工況后，由BSG電機(jī)負(fù)責(zé)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。改裝車輛沿用原車格特拉克的6速雙離合自動(dòng)變速器6DCT150，變速器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 改裝后的48V微混系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 6速雙離合自動(dòng)變速器基本結(jié)構(gòu)

3 48V微混系統(tǒng)控制策略

3.1 高轉(zhuǎn)速起動(dòng)控制

傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)自動(dòng)起動(dòng)模式是利用起動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到300 r/min左右，遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，只能通過(guò)加濃混合氣多噴油來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。48V微混系統(tǒng)的自動(dòng)起動(dòng)模式是由電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到800 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊以理論空燃比供應(yīng)油氣，不再需要加濃空燃比，從而降低了油耗[1]，兩種系統(tǒng)自動(dòng)過(guò)程如圖3所示。另外，高轉(zhuǎn)速起動(dòng)控制也可以明顯改善起動(dòng)性能，提高NVH的性能。

3.2 加速電機(jī)助力和減速能量回收

車輛加速需要有正向扭矩，傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)車輛正向扭矩完全由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，而48V微混系統(tǒng)車輛的BSG電機(jī)可將48V電池的電能轉(zhuǎn)化為正向扭矩，驅(qū)動(dòng)車輛的正向扭矩由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同提供。

正向扭矩計(jì)算式為：

式中，Treq/pos為駕駛員需求正扭矩；Teng為發(fā)動(dòng)機(jī)提供的正向扭矩；Tmot/pos為電機(jī)提供的正向扭矩。

圖3 12V起停系統(tǒng)與48V微混系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程對(duì)比

車輛減速時(shí)需要負(fù)向扭矩，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)完全由剎車片的摩擦阻力提供負(fù)向扭矩。48V微混系統(tǒng)的BSG電機(jī)可以將部分負(fù)向扭矩轉(zhuǎn)化為48V電池的電能存儲(chǔ)起來(lái)，車輛減速的負(fù)向扭矩由剎車片摩擦扭矩和電機(jī)負(fù)向扭矩共同提供。

負(fù)向扭矩計(jì)算式為：

式中，Treq/neg為駕駛員需求負(fù)向扭矩；Tbrk為剎車負(fù)向扭矩；Tmot/neg為電機(jī)負(fù)向扭矩[2，3]。

針對(duì)改裝后的48V微混系統(tǒng)車輛在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可看出，在NEDC循環(huán)的加速段為電機(jī)助力模式，電機(jī)扭矩可達(dá)20～30 N·m，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷10%～20%，明顯減少了加速工況的油耗；減速段為電機(jī)發(fā)電模式，電機(jī)負(fù)向扭矩為40～50 N·m，輸出的電量保存在48V電池中，維持了電池電量的平衡。

圖4 48V微混系統(tǒng)車輛EUDC循環(huán)加、減速段電機(jī)扭矩

3.3 增強(qiáng)型減速斷油

在車輛滑行過(guò)程中，減速斷油是傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)車輛常用的節(jié)油策略，48V微混系統(tǒng)的增強(qiáng)型減速斷油策略沿用并改進(jìn)了傳統(tǒng)減速斷油策略，確保在滑行降擋過(guò)程中保持減速斷油狀態(tài)，使得斷油時(shí)間大大增加。

6速雙離合自動(dòng)變速器在降擋過(guò)程中，需要瞬態(tài)扭矩增加以達(dá)到更好的換擋品質(zhì)。當(dāng)傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)降擋過(guò)程中的變速器增扭請(qǐng)求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須要恢復(fù)供油，而換擋后由于轉(zhuǎn)速等條件很難滿足，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法再次斷油而一直處于供油狀態(tài)，直到自動(dòng)停機(jī)條件滿足后發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；而48V微混系統(tǒng)車輛的增強(qiáng)型減速斷油可以保證降擋過(guò)程不需要發(fā)動(dòng)機(jī)介入，由電機(jī)響應(yīng)降擋過(guò)程中的自動(dòng)變速器的增扭請(qǐng)求，發(fā)動(dòng)機(jī)保持?jǐn)嘤蜖顟B(tài)直到停機(jī)，減少了降擋導(dǎo)致的燃油消耗[4]。圖5為兩種系統(tǒng)在EUDC循環(huán)中的減速斷油過(guò)程，圖中斷油標(biāo)志位為1.0表示發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入斷油狀態(tài)。由圖5可看出，在120 km/h到0 km/h的減速段，48V微混系統(tǒng)車輛的減速斷油時(shí)間比傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)車輛增加了約10 s。

圖5 兩種系統(tǒng)在EUDC循環(huán)中減速斷油過(guò)程對(duì)比

將圖4中時(shí)間為1 170～1 200 s的部分放大，如圖6所示。由圖6可看出，變速器由6擋依次降到1擋的換擋過(guò)程中，由電機(jī)提供變速器的增扭需求，電機(jī)由能量回收發(fā)電狀態(tài)變?yōu)樘峁┱蚺ぞ毓┳兯倨髌巾槗Q擋狀態(tài)。其中2擋降1擋后自動(dòng)切換為電機(jī)怠速，維持約2 s后停機(jī)。在轉(zhuǎn)速、車速、負(fù)荷等減速斷油條件滿足后，整個(gè)滑行過(guò)程一直保持?jǐn)嘤蜖顟B(tài)，除了需要響應(yīng)變速器增扭請(qǐng)求之外，其它時(shí)間48V微混系統(tǒng)都處于制動(dòng)能量回收狀態(tài)。

4 油耗測(cè)試結(jié)果分析

高轉(zhuǎn)速起動(dòng)可以推遲發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻進(jìn)而降低油耗，圖7為兩種系統(tǒng)起動(dòng)瞬時(shí)油耗對(duì)比曲線。由圖7可看出，48V微混系統(tǒng)車輛的開(kāi)始噴油時(shí)刻比傳統(tǒng)車型推遲1.2 s，在NEDC循環(huán)中，除第1次起動(dòng)采用12V傳統(tǒng)電機(jī)外，其它的12次自動(dòng)起動(dòng)均使用BSG電機(jī)的高轉(zhuǎn)速起動(dòng)，在整個(gè)循環(huán)中共減少噴油時(shí)間14.4 s。同時(shí)高轉(zhuǎn)速起動(dòng)以理論空燃比混合氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)濃混合氣，可以在起動(dòng)階段降低油耗50%左右。

圖6 48V微混系統(tǒng)在EUDC循環(huán)中減速段電機(jī)扭矩

圖7 兩種系統(tǒng)起動(dòng)瞬時(shí)油耗對(duì)比曲線

48V微混系統(tǒng)車輛在加速段由電機(jī)提供了助力，瞬時(shí)油耗比沒(méi)有助力的傳統(tǒng)車型低，圖8為兩種系統(tǒng)加速段瞬時(shí)油耗對(duì)比曲線。由圖8可看出，在NEDC循環(huán)的0～70 km/h加速段，12V起停系統(tǒng)車輛瞬時(shí)油耗比48V微混系統(tǒng)車輛高約10%。

圖8 兩種系統(tǒng)加速段瞬時(shí)油耗對(duì)比曲線

在滑行的減速斷油工況，12V起停系統(tǒng)車輛在車速約為15 km/h時(shí)恢復(fù)供油，直到滿足自動(dòng)停機(jī)條件發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)熄火。48V微混系統(tǒng)車輛在滑行過(guò)程中一直處于斷油狀態(tài)，沒(méi)有恢復(fù)供油，如圖9所示。由圖9可看出，在車速為120 km/h的長(zhǎng)滑行過(guò)程中，瞬時(shí)油耗一直為零，斷油時(shí)間增加了約10 s，加上NEDC循環(huán)中其它滑行增加的斷油時(shí)間，48V微混系統(tǒng)車輛比傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)車輛增加了約60 s的斷油時(shí)間。

圖9 兩種系統(tǒng)減速斷油瞬時(shí)油耗對(duì)比曲線

根據(jù)各控制策略對(duì)應(yīng)各階段的瞬時(shí)油耗累積值進(jìn)行分析，48V控制策略對(duì)于NEDC循環(huán)的油耗貢獻(xiàn)率如表2所列。由表2可知，由于加速電機(jī)助力可以明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷，所以節(jié)油貢獻(xiàn)率也最大，達(dá)到6.2%。增強(qiáng)型減速斷油可以在NEDC循環(huán)中增加斷油時(shí)間約60 s，節(jié)油貢獻(xiàn)率也比較明顯，達(dá)到3.2%，高轉(zhuǎn)速起動(dòng)節(jié)油貢獻(xiàn)率相對(duì)較低，僅為0.7%。

表2 48V微混系統(tǒng)控制策略在NEDC循環(huán)節(jié)油貢獻(xiàn)率

分別使用一臺(tái)傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)車輛和一臺(tái)48V微混系統(tǒng)車輛進(jìn)行了各3次NEDC循環(huán)油耗測(cè)試，結(jié)果如表3所列。由表3可知，與傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)車輛相比，48V微混系統(tǒng)車輛百公里節(jié)油率總計(jì)為10.1%，與表2中3項(xiàng)策略總節(jié)油率一致。

表3 NEDC油耗測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比48V微混系統(tǒng)和傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)特點(diǎn)，分析了48V微混系統(tǒng)的高轉(zhuǎn)速起動(dòng)控制、加速電機(jī)助力及減速能量回收、增強(qiáng)型減速斷油等控制策略。在一輛改裝后的48V微混系統(tǒng)試驗(yàn)車輛上進(jìn)行了NEDC循環(huán)測(cè)試，結(jié)果表明，48V微混系統(tǒng)比傳統(tǒng)12V起停系統(tǒng)可降低10.1%的油耗，試驗(yàn)油耗平均值達(dá)到4.868 L/100 km，可以滿足第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)要求的目標(biāo)值。

1 Yuaraj K B，et al.Optimal Torque Handling in Hybrid Powertrain for Fuel Economy Improvement.SAE paper.2013-26-0068.

2 Valerie H Johnson，et al.HEV Control Strategy for Real-Time Optimization of Fuel Economy and Emissions.SAE paper 2000-01-1543.

3 Anthony Rick,Brian SiskA Simulation Based Analysis of 12V and 48V Microhybrid Systems Across Vehicle Segments and Drive Cycles.SAE paper 2015-01-1151.

4 Alan Brown etc.CO2Emissions Reduction via 48V Active Engine-Off Coasting.SAE paper 2016-01-1152.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年10月18日。

Analysis on Fuel Economy Strategies of 48V Micro Hybrid System

Wang Zhen,Ha Di,Zhang Weiwei,Ma Xiaojian
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd）

By comparing the characteristics of 12V Start&Stop system and 48V micro-hybrid system,the paper analyzed the fuel consumption reduction strategies of 48V micro hybrid system.To evaluate the influence of control strategies of 48V micro-hybrid system on fuel consumption,we verified the 48V micro-hybrid system on a prototype vehicle powered with 1L supercharged gasoline engine in NEDC cycles.The result showed fuel consumption of 48V microhybrid system is 10.1%lower than the traditional 12V Start&Stop system,with average test fuel consumption of 4.868 L/ 100 km,meeting China IV fuel consumption target.

48V micro hybrid,Control strategies,Fuel consumption

48V微混 控制策略 油耗

U467.4+98

A

1000-3703（2017）02-0001-04