汽车48V P0 混动系统开发及应用

文章来源:《汽车实用技术》 发布时间:2020-05-09
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以某车型为基础,介绍了在传统车型上进行48V P0 混动系统开发。1.5L 增压发动机增加48V 电机最大扭矩增加40N.m,整车通过新增48V 系统电池、DC/DC 等核心件完成48V 系统匹配,最终节油率达8.8%左右。

引言 

根据国家相关部委的法规分析,国家引导整车企业逐步向低油耗及电动化方向发展。根据乘用车企业平均燃料消耗量要求,企业平均油耗在2020 年降至5L/100km,2025 年目标值4L/100km。为了达到降油耗效果并考虑实际应用,各主机厂对48V 混动系统大力投入开发,本文主要以某车型为例,增加48V P0 系统核心件,通过整车及系统匹配,达到预期的节油效果。

1、48V 系统 

1.1 系统概述

该系统为48V P0 系统,属于48V 系统中基础方案,实现简单且成本低。该系统主要通过怠速起停、制动能量回收等来降低油耗。通过48V 电机助力来实现动力性提升。实现的功能主要如下:
(1)怠速启停功能---停机条件满足,等红绿灯时实现自动停机,同时能够自动识别驾驶意图,起步前用48V 电机启动发动机,车辆上电初始设置为打开,该功能可手动关闭。
(2)能量回收功能---含制动能量回收等,此时电机处于发电机模式。
(3)电动助力功能---踩油门加速时,通过电机助力提高整车动力性,此时电机处于电动模式。
(4)扭矩分配功能---根据经济性最优原则来决定发动机与电机的扭矩分配,此时电机处于电动模式。

1.2 系统结构

整车48V P0 系统结构,除了常规的发动机由普通12V发电机替换为48V 电机(含MCU 电机控制器),还需增加48V 锂电池(含BMS 电池控制器)及DC/DC(直流变压器)等去实现混动系统功能。混动系统控制器集成在ECU 中,图1 为48V 系统结构示意图。
(1)发动机(含48V 电机)
搭载1.5L 增压发动机,如图2(a)所示。原12V 发电机替换成48V 电机。48V 电机同时具备发电机和起动机的功能。作为发电机时,在制动时可回收车辆动能;作为电动机时,通过皮带连接到曲轴提供动力。电动模式时,48V 电机额定功率为4kW,峰值功率为14kW,额定扭矩为6N.m,峰值扭矩为60N.m;发电模式时,48V 电机额定功率为5kW,峰值功率为14kW,额定扭矩为8N.m,峰值扭矩为43N.m。

图1 48V 系统结构示意图

(2)48V 电池(含BMS)
48V 电池为48V 用电设备提供电能,如图2(b)所示。其可将制动回收的能量存储,电池容量8Ah,总能量360Wh,SOC 工作范围30%~80%;充电时,BMS 闭合48V 电池系统继电器,电机为电池进行充电;放电时,BMS 闭合48V 电池系统继电器,为48V 电机和DC/DC 提供电量;48V 电池系统不参与充放电工作时,BMS 断开继电器。

图2 1.5L 增压发动机及48V 电池
(3)DC/DC
为整车上48V 和12V 电器网络之间提供电压转换,其需CAN 通讯与整车调试功能,正向输出时,DC/DC 将48V 电池能量传给12 电池。逆向输出时,将12V 电池能量传给48V电池使用。

2、48V 系统控制策略 

48V 混动控制系统的功能主要集中在ECU 中, 具备启停、加速助力、制动能量回收及上下电管理功能及配合充电功能。当48V 系统条件满足时,整车上电后的第一次启动由48V 电机拖动发动机启动。
车辆行驶过程中,根据驾驶需求,可控制48V 电机工作在电动状态,根据需要发出电动扭矩,实现48V 系统的扭矩分配和助力功能;当车辆处于制动过程中,48V 系统可以通过使48V 电机工作在发电状态,回收能量,给48V 电池充电,实现能量回收功能。
当12V 电池的电量不满足整车需求时,48V 电池可以通过48V/12V 双向DC/DC 给12V 电池提供能量,保障整车用电量需求;当车辆处于怠速,满足条件时,还可以实现启停功能。具体控制策略见图3,控制策略中的具体逻辑见表1。

图3 48V 系统控制策略

表1 具体控制逻辑

3、动力性经济性分析 

3.1 发动机外特性对比

原1.5L 增压发动机,低端扭矩为184N.m@1500r/min,最大净扭矩为 210N.m@2000-4000r/min,最大净功率为108kW@5500r/min;增加48V 电机后的发动机,低端扭矩提升为235N.m@1500r/min,最大净扭矩提升为251N.m@1750 r/min,最大净功率提升为116kW@5500r/min。具体参数详见图4 外特性参数对比。通过增加48V 电机,具备低速助力及加速助力功能,整车动力性有所提升,通过怠速起停及制动能量回收功能,为整车降油耗做出贡献。

图4 外特性参数对比

3.2 动力性经济性测试对比

针对某车型,WLTC 工况下,其与传统车在转鼓上进行对比测试,以证明48V 混动系统对整车动力性及经济性的贡献度。两台试验车,除了混动模块零部件区别以外,轮廓、风阻、滚阻及轮胎等其他参数均相同。测试结果如表中所示,最高车速、百公里加速、最大爬坡度及WLTC 综合油耗均有所提升。具体详见表2。
表2 整车动力性经济性测试对比结果

4 结论 

本文介绍了一种新型48V P0 混动系统,并对其系统结构、功能定义及系统控制策略进行了详细的说明。
以某车型为基础,开发48V P0 方案,通过48V 发动机台架验证及整车动力性经济性测试,说明该系统对整车动力性经济性有一定的贡献。增加48V 电机后,低速扭矩有35%左右的提升。整车百公里加速时间从12.2S 缩短至10.2S 左右。整车百公里油耗从8L/100km 降低到7.3L/100km 左右,预计节油率8.8%左右,达到了预期的目标。


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