張士路,王洪靜,郭文松,杜成磊
(安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心,安徽 合肥 230022)
隨著國家對汽車油耗法規(guī)的要求越來越高,為了使企業(yè)的平均油耗到 2015年、2020 年分別達到6.9L/100km和5 L/100km的要求,各OEM都致力于純電動汽車、清潔能源汽車、燃料電池汽車以及混合動力汽車的研發(fā)。
混合動力按照電機在整車動力總成布置位置的不同分為P0、P1、P2、P3、P4等技術(shù)方案。
(1)P0混動方案,即整個動力輔助設(shè)備裝在了發(fā)動機的前部,該輔助系統(tǒng)包括電動機、電動渦輪、一體式發(fā)電機/起動機、高壓發(fā)電機等,代表車型奧迪SQ7TDI。
(2)P1和P2模式基本相同,唯一區(qū)別在于電動機和發(fā)動機之間有沒有離合器,是不是可以切斷電動機的輔助驅(qū)動。P1的結(jié)構(gòu)是在發(fā)動機飛輪裝上轉(zhuǎn)子,只要發(fā)動機在運轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn),給定子加一個交流電壓,轉(zhuǎn)子就會輸出動力。P1系統(tǒng)并沒有純電行駛模式。代表車型:本田CR-Z、Insight。而P2是目前市面混動車型采用最多的模式。通過在發(fā)動機與變速箱之間插入兩個離合器和一套電動機,來實現(xiàn)混動。和P1不同的是,P2系統(tǒng)實現(xiàn)純電驅(qū)動了。代表車型奧迪 a3 e-Tron。
(3)P3模式是將電動機挪到了變速箱的末端。代表車型:本田i-DCD、比亞迪-秦。
(4)P4模式是把電動機放在了驅(qū)動橋,直接驅(qū)動車輪。這種混動模式主要用于跑車和越野SUV上。例如保時捷918 Spyder、謳歌NSX、寶馬i8等跑車,它們的前輪就是由電動機直接驅(qū)動的。
本文通過在某車型上搭載48V P0混合動力方案及控制策略進行分析,通過NEDC循環(huán)測試,探討混動功能對燃油經(jīng)濟性的影響, 對低壓混合動力的研究和應(yīng)用具有一定的參考意義。
48V P0混動系統(tǒng)的硬件如圖1所示,包含發(fā)動機控制單元(ECU)、雙向張緊器、一體式發(fā)電機/起動機(BSG)、電機控制器(MCU)、48V動力電池及控制系統(tǒng)(BMS)、DC/DC變壓器等部件。
圖1 48V P0混動系統(tǒng)的硬件組成
其中BSG通過雙向張緊器布置于發(fā)動機前端位置,可用于整車助力或者能量回收;DC/DC變壓器采用的是雙向可逆的直流變壓器,主要用于48V和12V之間的電壓轉(zhuǎn)換;48V動力電池采用的磷酸鐵鋰電池(LFP),用于電能的儲存;雙向張緊器主要是用于調(diào)整電機處于發(fā)電和電動時前端輪系的主從動輪的關(guān)系;ECU和MCU主要是發(fā)動機和BSG的控制單元,其中MCU集成在BSG內(nèi)部;HCU為整車控制器,集成在ECU內(nèi)部,從而降低成本。
48V P0混動技術(shù)方案和傳統(tǒng)車相比,系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動起停、電動助力、智能能量管理,如圖2所示;
(1)起停功能:BSG起停分為自動停機、改變駕駛意圖重起、起停停機、BSG起動四種狀態(tài);在BSG起動后,如果扭矩需求、離合器、檔位、車速、SOC滿足要求,進入電子怠速狀態(tài)。
(2)電動助力功能:是指在瞬態(tài)加速時,如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速不超過閾值、油門踏板變化率以及油門開度達到一定閾值,利用BSG電機實現(xiàn)短暫的助力功能。
(3)智能能量管理:1)為使發(fā)動機工作在萬有特性油耗曲線的經(jīng)濟區(qū),在48V電池SOC高時,電能通過BSG轉(zhuǎn)化為扭矩輸出到發(fā)動機,在SOC低時,BSG將發(fā)動機扭矩轉(zhuǎn)化為電能存儲到48V電池中;2)在減速或者制動過程中,系統(tǒng)處于能量回收狀態(tài),通過 BSG進行能量回收;3)根據(jù) 12V系統(tǒng)中的用電負(fù)載以及12V蓄電池的SOC,混動系統(tǒng)會智能的調(diào)整12V蓄電池的充電電壓,從而實現(xiàn)12V電池智能發(fā)電。
圖2 48V P0混動系統(tǒng)軟件組成
48V P0混動系統(tǒng)的控制策略開發(fā)完全按照ISO 26262的V型開發(fā)流程,如圖3所示:分別為需求制定、軟件架構(gòu)設(shè)計、圖形化建模仿真、代碼轉(zhuǎn)換集成測試,硬件在環(huán)測試以及整車的標(biāo)定驗證,同時在前期的需求以及架構(gòu)設(shè)計也同步進行功能安全設(shè)計,對系統(tǒng)中存在的軟件硬件可能的風(fēng)險點進行識別,并制定規(guī)避措施或者冗余的安全防護。
圖3 軟件開發(fā)V流程
48V混動系統(tǒng)控制模塊主要分為以下幾大模塊:(1)上下電模塊,簡稱PMM模塊;是指控制整車電控系統(tǒng),如BSG、48V動力電池、ECU、DC/DC等核心控制器喚醒、初始化以及下電時的休眠等動作;(2)扭矩需求模塊,簡稱TQD模塊,主要是依據(jù)駕駛員油門踏板的開度以及變化率,識別出駕駛員的需求扭矩;(3)扭矩分配模塊,簡稱TQS模塊,是指依據(jù)混動系統(tǒng)的能力和發(fā)動機運行經(jīng)濟區(qū)域來對TQD模塊的扭矩請求進行合理的分配,從而保證混動系統(tǒng)運行在最佳經(jīng)濟區(qū);(4)能量管理模塊,簡稱HSM模塊,主要是與TQS模塊一起,對混動系統(tǒng)的能量進行有效的管理,從而保證系統(tǒng)運行最佳。簡單的理解可以認(rèn)為HSM是決策模塊,決定不同的工況發(fā)動機和電機的扭矩,TQS模塊是一個執(zhí)行模塊。
48V混動技術(shù)主要涉及節(jié)油的策略主要有三種:一是發(fā)動機起停技術(shù);二是保持發(fā)動機工作在萬有特性區(qū)域內(nèi);三是能量回收。
(1)發(fā)動機起停技術(shù):是指在遇到紅燈或者擁堵路況時,又或者在車輛低速行駛時候,發(fā)動機主動停機,利用48V動力電池給整車進行供電;需要發(fā)動機起動時,BSG會直接將發(fā)動機拖動至較高轉(zhuǎn)速,如700rpm,
而避免傳統(tǒng)起動時的加濃導(dǎo)致油耗和排放變差。
(2)發(fā)動機工作在外特性區(qū)域,是指在滿足駕駛員需求扭矩的情況下,通過BSG的充放電功能,維持發(fā)動機運行在萬有特效區(qū)域內(nèi),從而降低油耗。
(3)能量回收,是指在滑行階段和制動階段,可以利用電機發(fā)電產(chǎn)生能量儲蓄在48V動力電池中,此部分能量用作BSG提供動力,避免了滑行和制動過程中能量的損失。
對于48V混動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案,在NEDC工況下與傳統(tǒng)車在轉(zhuǎn)轂上進行對比測試,以證明48V混動系統(tǒng)對整車油耗的貢獻度。
試驗兩臺車輛除混動模塊區(qū)別外,其他參數(shù)均相同。按照國五法規(guī)規(guī)定的加載系數(shù)在轉(zhuǎn)轂進行加載,采用NEDC循環(huán)測試,試驗車輛排出廢氣經(jīng)過稀釋后進入CVS-4000型定容采樣系統(tǒng)和AMA-4000型氣態(tài)排放物分析系統(tǒng),試驗對比結(jié)果見下表。
表1 實車排放及油耗結(jié)果對比
為保證試驗的一致性,在排放開始前將12V電池充滿電,采集多組結(jié)果,保證數(shù)據(jù)的可靠性。從試驗結(jié)果看,混動模式對排放的影響不明顯,但對油耗的貢獻較為明顯,可以實現(xiàn)節(jié)油15%左右。
本文基于 48V混動系統(tǒng)在整車上的應(yīng)用方案進行了研究,主要利用常規(guī)駕駛過程中的起停技術(shù),電機助力,以及能量回收等技術(shù),實現(xiàn)了整車?yán)?8V混動技術(shù)的節(jié)油目的。通過在實車上的測試及運用,表明48V混動技術(shù)對試驗?zāi)繕?biāo)整車油耗有15%的油耗貢獻度。
但是48V混動技術(shù)的發(fā)展還不僅僅局限于此,48V作為國家規(guī)定的低壓電壓范圍,在整車絕緣防護等方面可以節(jié)約很多的成本,所以國內(nèi)對于48V混動技術(shù)的運用還在不斷的探索中,希望本文對后續(xù)的研究有一定的意義。