木村誠 秋山秀勝

0 前言

日產(chǎn)汽車公司全新開發(fā)的混合動力總成“e-POWER”系統(tǒng)于2016年配裝在小型轎車“NOTE”車型上，又于2018年配裝在廂式旅行車“SERENA”車型上。e-POWER除了具備傳統(tǒng)的混合動力汽車(HEV)的良好燃油經(jīng)濟性外，同時由于僅采用電機驅(qū)動，可為客戶提供強勁的動力性能和駕駛愉悅性[1]。

1 e-POWER系統(tǒng)的定位

為了進(jìn)一步實現(xiàn)安全的、可持續(xù)發(fā)展的交通環(huán)境，日產(chǎn)汽車公司正在將車輛的智能化與電驅(qū)動化作為產(chǎn)品經(jīng)營的核心技術(shù)(圖1)。這樣的技術(shù)開發(fā)策略、經(jīng)營理念將有助于提高技術(shù)的適應(yīng)性，同時能改善環(huán)境問題，并相應(yīng)減少交通事故發(fā)生機率。目前汽車電動化進(jìn)程已從僅在傳統(tǒng)內(nèi)燃機上附加電動化部件的水平，發(fā)展到由電機驅(qū)動的最終目標(biāo)，即電動汽車(EV)。本文所介紹的e-POWER，由于與EV共用動力傳動系統(tǒng)，將對EV的正式普及與應(yīng)用發(fā)揮起到正面推動作用[2]。

圖1 日產(chǎn)汽車公司技術(shù)開發(fā)方案的2個方向

e-POWER系統(tǒng)最大限度地運用了純電動系統(tǒng)的優(yōu)勢，發(fā)電系統(tǒng)從動力傳動系統(tǒng)中分離出來并作為機械裝置的技術(shù)(車輛的汽油機作為發(fā)電專用動力裝置)有以下優(yōu)勢：快速、線性、順暢的加速體驗；頂尖的燃油經(jīng)濟性能；與EV相近的靜音性；通過“e-POWER驅(qū)動”即可獲得全新的駕駛體驗。

2 e-POWER的概況

采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的e-POWER的最大特點在于動力傳動系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)從機構(gòu)上得以分離。圖2示出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 e-POWER系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置

e-POWER系統(tǒng)通過VCM進(jìn)行控制。VCM則與MC、GC、BMS及ECM相連接，通過最佳發(fā)電方式進(jìn)行能量管理與驅(qū)動力控制。由于動力傳動系統(tǒng)具有與發(fā)電系統(tǒng)從機構(gòu)上得以分離的特點，通過與EV同樣的電機驅(qū)動方式即可提供良好的行駛性能。同時，發(fā)動機在高效的工作點進(jìn)行運轉(zhuǎn)，并力求改善燃油耗。此外，發(fā)動機能在有利于實現(xiàn)減振降噪的運行區(qū)工作。圖3示出了e-POWER系統(tǒng)的外觀。表1列出其結(jié)構(gòu)部件的主要技術(shù)規(guī)格。發(fā)電系統(tǒng)是以配裝于NOTE車型上的HR12DE型發(fā)動機為基本機型，由該機型與電動發(fā)電機所組成。采用的動力電池為鋰離子蓄電池。為實現(xiàn)快速的加速響應(yīng)，而采用了高功率的型號。

圖3 e-POWER外觀

表1 e-POWER系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格

當(dāng)其配裝于廂式旅行車(mini-Van)SERENA車時，可將電機轉(zhuǎn)矩提高26%，將最大輸出功率提高25%，確保其在廂式旅行車上使用時具有充裕的動力性能。此外，隨著電機功率的不斷提高，將作為供電源的鋰離子蓄電池的功率提高20%，并從EV上體驗到良好的加速響應(yīng)性(圖4)。而且，就廂式旅行車而言，即使多人乘車旅行，也要求可在整個速度區(qū)發(fā)揮良好的加速響應(yīng)性，除了使蓄電池容量增加22%外，作為發(fā)電專用的HR12DE型發(fā)動機，實現(xiàn)了與SERENA e-POWER車型的整合，通過使發(fā)動機的最大功率提高7%，并使蓄電池達(dá)到完全充電的狀態(tài)(SOC)區(qū)域。

圖4 e-POWER系統(tǒng)的良好加速過程

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計理念

e-POWER系統(tǒng)具備只由鋰離子蓄電池供電即可行駛的技術(shù)潛力。圖5的●和▲表示NOTE e-POWER車更具代表性的行駛工況。另外，在山區(qū)道路等區(qū)域進(jìn)行高負(fù)荷連續(xù)運轉(zhuǎn)時，則由電機實現(xiàn)供電行駛(圖5的◆所示)，通過結(jié)合蓄電池與電機的協(xié)同供電方式，可以實現(xiàn)與EV同樣強勁的加速效果。

圖5 能量消耗及產(chǎn)生功率的平衡

3.2 頂級水平的燃油經(jīng)濟性

e-POWER系統(tǒng)的發(fā)動機與動力傳動系統(tǒng)并非通過機構(gòu)而是直接連接的，并且可任意選定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與扭矩。通過VCM運算各部件的目標(biāo)值，以便有效運用這些特征，在各項性能要求(動力、駕駛性能、噪聲、振動、排放、散熱、采暖、制動負(fù)壓、零件保護、故障診斷等)的容許范圍內(nèi)具備最佳的燃油經(jīng)濟性。此外，如圖6所示，在驅(qū)動功率比最佳燃油耗點更低的情況下，用其剩余電力向蓄電池充電，進(jìn)而控制發(fā)動機的工作點。在驅(qū)動功率較高時，通過由剩余電力供給的能量(A)和補充車輛加速時所需的能量(B)，使發(fā)動機的工作點盡量接近車輛最佳燃油耗點，進(jìn)而使燃油耗降至最低。

圖6 能量管理的概念

其結(jié)果表明，NOTE e-POWER車與其他相似的車型相比，實現(xiàn)了在較高頻度下的最佳燃油耗工況點的運轉(zhuǎn)(圖7)。在SERENA e-POWER車上，擴展了最佳燃油耗區(qū)，在低車速與中高車速工況下，不僅可運用最佳的耗油率，還可劃分工作點區(qū)域以實現(xiàn)運行(圖8)。

圖7 實際燃油經(jīng)濟性的工作點(日產(chǎn)公司)

圖8 內(nèi)燃機工作點的分布

3.3 與EV相似的靜音性

為了實現(xiàn)與EV相似的靜音性，設(shè)定了EV行駛區(qū)，即僅使用鋰離子蓄電池供電即可行駛的區(qū)域。圖9表示SERENA e-POWER車的EV狀態(tài)行駛區(qū)。其涵蓋了日本市場上行駛頻度較高的中低速區(qū)，并且可擴展到其他HEV的中低速行駛區(qū)。即使在高速區(qū)，鋰離子蓄電池SOC較高的情況下，也應(yīng)最大限度地持續(xù)以EV狀態(tài)行駛，而當(dāng)SOC有所降低時，在發(fā)電設(shè)計上應(yīng)做到與發(fā)動機噪聲相比，運行更加安靜的技術(shù)特點，并對鋰離子蓄電池充電。

結(jié)果表明，參考市場上客戶通常用車方法為代表的行駛模式(包括在城區(qū)道路、小區(qū)公路、交通滯塞道路、高速公路等路況下行駛)中各個車速區(qū)的EV行駛時間所占的比例，NOTE e-POWER車占據(jù)約50%，SERENA e-POWER車占有約45%的份額，實現(xiàn)在中低速區(qū)域內(nèi)較高的EV工況行駛比例。

圖9 EV行駛區(qū)域達(dá)到的水平

4 提供新型駕駛體驗的“e-POWER驅(qū)動”

e-POWER系統(tǒng)可充分運用只使用電機作為動力源的技術(shù)特點，將制動能量回收系統(tǒng)、坡道路段校正、抑制低摩擦因數(shù)(μ)道路滑移控制等技術(shù)進(jìn)行有機結(jié)合，設(shè)定了兼顧駕駛性與耗油率的良好運行模式。并將該運行模式稱為“e-POWER驅(qū)動方式”，以此滿足客戶的需求[3]。

從e-POWER的驅(qū)動方式來看，NOTE e-POWER車上只要操縱加速踏板，即可實現(xiàn)在90%左右的路況下的通用的行駛模式，堪稱全新的駕駛方式。在此需要具備2種要素：設(shè)計在操縱加速踏板時由于減速而出現(xiàn)的滑行轉(zhuǎn)矩；便于控制車輛制動時的減速度。

關(guān)于滑行轉(zhuǎn)矩的設(shè)計，通過有效地運用作為電機驅(qū)動優(yōu)勢的設(shè)計自由度，如圖10所示，能涵蓋90%以上的路況下行駛所需的制動減速度，其結(jié)果表明，只需操縱加速踏板，即可實現(xiàn)有效減速，并可緩解減速時踩踏制動踏板的操作。

圖10 e-POWER驅(qū)動的實際減速頻率與制動減速度的特征

關(guān)于減速度的可控制性，采用加速踏板操縱以實現(xiàn)減速時，根據(jù)駕駛員操縱過程的分析結(jié)果，著眼于以下3種形式的減速：在跟隨前方車輛行駛時，通過操縱(加速踏板)以產(chǎn)生微小減速；在交叉點停車等使用膝部操縱產(chǎn)生的減速；與前方車輛的車距較小時，通過停止踩踏加速踏板以實現(xiàn)減速。組合上述操縱方式并獲得駕駛員所需的減速度，如圖11所示，e-POWER驅(qū)動僅通過加速踏板進(jìn)行操縱，并以此實現(xiàn)制動減速度的可控性。

圖11 減速分布圖

5 增強e-POWER系統(tǒng)EV行駛的習(xí)慣駕駛模式及充電模式

作為SERENA e-POWER車上的充滿潛力的功能，通常采用習(xí)慣駕駛模式及充電模式。e-POWER系統(tǒng)的發(fā)動機與動力傳動系統(tǒng)并非通過機構(gòu)而是直接連接，所以可不按行駛狀態(tài)實現(xiàn)自行發(fā)電。e-POWER系統(tǒng)是僅通過電機驅(qū)動的動力總成系統(tǒng)，因為利用發(fā)動機在盡可能最佳的燃油耗工況點進(jìn)行發(fā)電，所以采用具有較大容量的蓄電池。充分利用該特點，駕駛員可以不根據(jù)行駛狀態(tài)，按照任意時間對蓄電池進(jìn)行強制充電，就能使發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)，并通過蓄電池儲存的電能實現(xiàn)靜音行駛。當(dāng)習(xí)慣駕駛模式無法維持EV行駛的情況下(蓄電池SOC較低，或進(jìn)行適度暖機時)，設(shè)定了即便用戶按下習(xí)慣駕駛模式鍵，該模式也不會運作。

圖12示出了習(xí)慣駕駛模式的評價結(jié)果。這種評價并非與車輛狀態(tài)一致，而是在各種各樣的行駛狀態(tài)中采用習(xí)慣駕駛模式，進(jìn)而評價EV的行駛時間與路程。e-POWER系統(tǒng)的所有測試數(shù)據(jù)表明其可實現(xiàn)350 m以上或者1 min以上的EV行駛狀態(tài)，80%的數(shù)據(jù)表明其可實現(xiàn)3 min以上的EV行駛狀態(tài)。如果符合條件，最大可以實現(xiàn)距離約6 km，或時長11 min左右的EV行駛狀態(tài)。這是傳統(tǒng)HEV所無法實現(xiàn)的，可為用戶提供HEV的全新價值，即用戶通過精心操作，可長時間體驗以往由純電動車(BEV)提供的靜音行駛性能。

圖12 習(xí)慣駕駛模式所達(dá)到的技術(shù)水平

6 結(jié)語

日產(chǎn)汽車公司重點關(guān)注了EV由電機驅(qū)動的技術(shù)特點，為眾多客戶提供了具有良好行駛性能的車型，為此開發(fā)了動力總成e-POWER，并將其配裝到了全新的NOTE、SERENA車型上。因此，驅(qū)動系統(tǒng)具有與日產(chǎn)公司LEAF車型相同的控制體系，共享了電機驅(qū)動控制技術(shù)及相關(guān)零部件。此外，利用e-POWER驅(qū)動的行駛模式，只需操縱加速踏板，就能輕易地進(jìn)行車輛的加速及減速控制，實現(xiàn)了全新的駕駛體驗。而且，在SERENA e-POWER車型上，設(shè)定了全新的習(xí)慣駕駛模式，用戶僅通過按鍵操作，即可以進(jìn)行EV狀態(tài)行駛。