日產e-Power混合動力系統研究

張昶 付磊

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130011）

1 前言

在當前能源及環境危機的背景下，世界各國車企都在大力推進新能源車型的研發。作為新能源車最核心的技術領域，動力總成構型的研發也日益多樣化。目前主要的動力系統構型有串聯式（寶馬i3，日產Note）、并聯式（奧迪A6-etron，高爾夫GTE）、串并聯式（本田雅閣Hybrid）及功率分流式（豐田全系混動車型）等。其中，串聯構型被普遍認為動力性較弱，系統效率較低，幾乎成為被業界淘汰的構型，寶馬投入大量精力研發的i3車型市場表現慘淡，后續新能源產品也轉投并聯技術路線。而日產卻“逆流而上”，在2016年發布e-Power串聯式動力系統構型，并在三款車型上投產應用。2017年的銷售數據表明，該動力系統系統市場認可度極高，其中Note車型年銷量超過10萬輛。本文主要結合日產Note車型，從技術角度分析e-Power系統的優勢所在。

2 日產e-Power混合動力系統概述

e-Power動力系統采用的是串聯構型，其動力系統拓撲結構如圖1所示[1]。該串聯構型的主要特點在于，車輛的驅動力由電機提供，發動機不直接參與驅動，而是通過發電機將機械能轉換為電能，再經由逆變器將電能傳遞給驅動電機，進而通過驅動電機將電能轉換為機械能驅動車輛。其優點是發動機的轉速和轉矩能夠與行駛需求完全解耦，因而可以持續工作在其高效區；而其缺點在于，發動機輸出能量需要進行二次轉化才能驅動車輛，系統效率受電機電池效率制約[2]。

圖1 日產Note e-Power動力系統構型拓撲

e-Power動力總成的主要參數如表1所示，e-Pow?er雖為串聯構型，卻并沒有采用常用的大容量電池。發動機作為增程器的方案，其電池采用的是小容量的功率型電池，沒有外接充電功能，車輛所需求的能量全部來自于燃油，電池主要作為能量緩沖裝置，平衡發動機的負荷及能量流。

表1 e-Power動力總成主要參數

3 動力總成選型及優化

為了規避串聯式純電動的車的系統效率較低、NVH性能較差、電池SOC低時車輛性能下降嚴重等問題，e-Power對整個動力系統進行了針對性的優化設計，以增強系統的性能。本節主要介紹發動機、電機、電池幾個主要部件的選型及優化。

3.1 發動機選型及優化

在串聯系統中，發動機只用來發電，不直接參與驅動，因此對動力性要求不高。日產并沒有對Note混動車型開發新發動機，而是在傳統車1.2L三缸發動機的基礎上進行了一定的結構優化，以提高發動機效率。e-Power發動機與傳統發動機的優化項目如表2所示。

表2 e-Power發動機與傳統發動機對比

從表中對比可以看出，日產對e-Power系統發動機從改善熱效率、減少泵氣損失、降低系統摩擦三個方面進行了針對性優化。通過采取以上措施，發動機的經濟性得到有效提升，圖2對比了e-Power發動機與傳統車發動機的燃油消耗特性，優化后的發動機油耗在全功率范圍內都得到降低。而且，由于串聯構型能夠實現發動機的工作點的解耦，便于發動機轉速與轉矩的優化控制。圖3對比了e-Power發動機、傳統車發動機及某混合動力發動機的實際工況工作點，表明e-Power發動機可以始終工作在其高效區內。

圖2 e-Power發動機燃油消耗特性

圖3 e-Power發動機實際工況工作點

3.2 電機選型及優化

e-Power的電機和逆變器直接借用Leaf EV車型資源，并在其基礎上進行了一定的優化。該電機采用低鐵損鐵芯和滲鏑永磁體，以保證電機性能和耐熱性；而且相較于Leaf EV的電機，其功率電子模塊和繞組都進行了優化設計以減小其電感損失[3]。優化后的發電機和驅動電機效率map如圖4所示。

圖4 e-Power發電機和驅動電機效率map

電驅系統效率值如表3所示（包含逆變器效率）。優化后的電驅系統綜合能量傳遞效率可以達到84%左右，這是e-Power動力系統能耗水平領先于一般串聯系統的關鍵所在。

表3 e-Power電驅動系統效率

3.3 電池選型及優化

e-Power系統中，電池主要作為能量緩沖裝置，并在低負荷時驅動車輛，因此選擇的是低容量（1.47kWh）的功率型電池。此方案相較于寶馬i3大容量電池的增程式純電動車優勢在于：（1）減小了整車整備質量，從而降低整車的驅動能量需求；（2）車輛的性能一致性很好，基本不受電池電量的影響，因而可以用于長途駕駛，且用戶不會有“里程焦慮”。

另外，較小的電池容量使電池不會占用車輛的使用空間。該電池安裝在前排座椅下方，采用風冷方案，可以利用車輛行駛的迎風壓力進行良好的散熱。

4 系統控制優化

為了降低整車能耗，提升駕駛舒適性，e-Power還對動力系統控制進行了優化。

4.1 能量管理控制優化

4.1.1 動力系統工作模式管理

e-Power系統結構相對簡單，基本工作模式有四種[4]，如圖5所示。驅動模式原理及應用場景描述如下：

（1）純電驅動：電池提供所有的驅動能量，發動機停機；此工作模式主要針對驅動功率需求較低且電池電量較高的工況；

（2）行車充電：發動機發電能量一部分通過電機驅動車輪，一部分給電池充電；此模式主要應用于電池電量低且需求的驅動功率小于發動機的最優工作點功率；

（3）聯合驅動：發動機發電且輸出電能，二者電能共同輸出到驅動電機用于驅動車輪；此模式主要應用于驅動功率需求較大的工況，如急加速；

（4）再生制動：發動機停機，制動能量通過驅動電機轉換為電能給電池充電。

圖5 e-Power系統工作模式

4.1.2 單踏板控制

對新能源車輛而言，制動回收是必備功能。一般的制動回收系統都是采用非解耦式制動，即踩下制動踏板后，電機輸出負扭矩疊加在制動片上，使制動能量的一部分可通過電能的形式儲存至電池。但非解耦制動的一個劣勢是，能量回收比例不高，大部分制動能量依然耗費在制動片摩擦上。針對此問題，e-Power開發出一種單踏板控制方法，即大部分工況下，可以通過加速踏板的深淺控制車輛的加速與減速，這樣可以將幾乎全部的制動能量都回收到電池中[5]。單踏板系統的原理如圖6所示。加速踏板有一個中間位置，此位置往下則是驅動工況，此位置往上則是制動回收工況。在大多數工況下，通過抬起加速踏板的方式，即可滿足制動需求，此時的制動能量可以全部回收至電機端；當需要更大強度的制動時，可以踩下制動踏板，機械制動也就隨之參與進來。這樣設計的優點在于，可以大幅度增加回收能量，提升車輛經濟性；同時駕駛員不需要在制動踏板和加速踏板間頻繁切換，減小駕駛員疲勞。試驗表明，實際道路工況中，單踏板系統可以回收約90%的制動能量。

圖6 單踏板控制原理

4.2 駕駛舒適性優化

為提升車輛的舒適性，e-Power通過對發動機的轉速及發動機介入時機的控制，大幅降低了發動機起機過程中的噪聲及振動，盡可能達成EV級的駕駛感受。

e-Power對發動機噪聲控制的設計初衷是在低速行駛階段，讓車輛行駛的路面噪聲掩蓋發動機的噪聲，達成接近EV的行駛感受。如圖7所示，藍色實線為e-Power初始設計目標，即車速30km/h以下，發動機維持1000rpm發電，車速更高時發動機轉速提升，增加發電量，以滿足行駛需求。但1000rpm對于發動機而言，經濟性并不好。轉速優化后的發動機轉速曲線如紅色實線所示，即20km/h以下車速，發動機停機。20～30km/h車速之間，發動機轉速在1500～2500rpm之間，根據行駛功率需求調節。這樣可以兼顧降低噪聲與提升發動機經濟性的目標。

圖7 發動機轉速控制優化

另外，為了減小行駛時的底盤振動，e-Power還對發動機的懸置剛度進行了優化設計，以減少動力傳遞路徑上的激振力。同時，對于發動機的介入時機也進行了兩方面優化：即點火時機避開車輛的共振頻率區間，同時依靠大扭矩的發電機進行快速起機，減少發動機起機的振動和噪聲對駕駛員的影響。

5 結論及啟示

（1）日產e-Power動力系統借用傳統的車的發動機，借用Leaf車型的電機和逆變器，以盡可能小的成本投入，開發結構簡單的串聯式電動車型，將電動車的售價做到了1,772,280日元（折合人民幣十萬元），獲得市場高度認可。

（2）e-Power系統通過發動機、電機、電池、控制系統的針對性優化設計，實現了極低的油耗水平，JC08工況的油耗水平達到2.7L/100km，同時還實現了EV級的駕駛舒適性和平順性，讓幾乎被淘汰的串聯構型重新煥發了活力。

（3）目前大多汽車廠商的新能源車型都追求性能突出，功能全面，因此對于動力系統的構型設計，總成需求等要求極高。這也導致新能源車型成本居高不下，高昂的售價也讓新能源車型在市場上曲高和寡。而日產通過現有資源的針對性極強的改進，開發真正滿足用戶日常需求且價格低廉的產品，這樣的精益化設計思路十分具有借鑒意義。

參考文獻

[1]Akihiro Shibuya,Naoki Nakada,Makoto Kimura.Develop?ment of a Brand New Hybrid Powertrain for Compact Car Market[C]25thAachen Colloquium Automobile and Engine Technology,2016.

[2]Sheldon S.Williamson.著,王典等譯，插電式混合動力與純電動汽車的能量管理策略[M].北京：機械工業出版社2015.12.

[3]Seiichi Sato,Takahito Ookubo,Shunji Oki,Yoshinori Sato.Development of Electric Powertrain for compact-size Vehi?cle.[C]Proceedings of JSAE Conference 2017 Spring:1546-1551.

[4]Yuki Fujita,Takahisa Kurasawa,Isamu Kazana,Keisuke Kawai,Tomoyuki Hanyu.The New Hybrid System for Com?pact Car.[C]Proceedings of JSAE Conference 2017 Spring 283-287.