48V混动技术对整车油耗的影响分析

张士路，王洪静，郭文松，杜成磊

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230022）

1 概述

随着国家对汽车油耗法规的要求越来越高，为了使企业的平均油耗到 2015年、2020 年分别达到6.9L/100km和5 L/100km的要求，各OEM都致力于纯电动汽车、清洁能源汽车、燃料电池汽车以及混合动力汽车的研发。

混合动力按照电机在整车动力总成布置位置的不同分为P0、P1、P2、P3、P4等技术方案。

（1）P0混动方案，即整个动力辅助设备装在了发动机的前部，该辅助系统包括电动机、电动涡轮、一体式发电机/起动机、高压发电机等，代表车型奥迪SQ7TDI。

（2）P1和P2模式基本相同，唯一区别在于电动机和发动机之间有没有离合器，是不是可以切断电动机的辅助驱动。P1的结构是在发动机飞轮装上转子，只要发动机在运转，转子就跟着旋转，给定子加一个交流电压，转子就会输出动力。P1系统并没有纯电行驶模式。代表车型：本田CR-Z、Insight。而P2是目前市面混动车型采用最多的模式。通过在发动机与变速箱之间插入两个离合器和一套电动机，来实现混动。和P1不同的是，P2系统实现纯电驱动了。代表车型奥迪 a3 e-Tron。

（3）P3模式是将电动机挪到了变速箱的末端。代表车型：本田i-DCD、比亚迪-秦。

（4）P4模式是把电动机放在了驱动桥，直接驱动车轮。这种混动模式主要用于跑车和越野SUV上。例如保时捷918 Spyder、讴歌NSX、宝马i8等跑车，它们的前轮就是由电动机直接驱动的。

本文通过在某车型上搭载48V P0混合动力方案及控制策略进行分析，通过NEDC循环测试，探讨混动功能对燃油经济性的影响， 对低压混合动力的研究和应用具有一定的参考意义。

2 48V P0混动系统方案

2.1 48V P0混动系统硬件方案

48V P0混动系统的硬件如图1所示，包含发动机控制单元（ECU）、双向张紧器、一体式发电机/起动机（BSG）、电机控制器（MCU）、48V动力电池及控制系统(BMS)、DC/DC变压器等部件。

图1 48V P0混动系统的硬件组成

其中BSG通过双向张紧器布置于发动机前端位置，可用于整车助力或者能量回收；DC/DC变压器采用的是双向可逆的直流变压器，主要用于48V和12V之间的电压转换；48V动力电池采用的磷酸铁锂电池（LFP），用于电能的储存；双向张紧器主要是用于调整电机处于发电和电动时前端轮系的主从动轮的关系；ECU和MCU主要是发动机和BSG的控制单元，其中MCU集成在BSG内部；HCU为整车控制器，集成在ECU内部，从而降低成本。

2.2 48V P0混动系统软件方案

48V P0混动技术方案和传统车相比，系统可以实现自动起停、电动助力、智能能量管理，如图2所示；

（1）起停功能：BSG起停分为自动停机、改变驾驶意图重起、起停停机、BSG起动四种状态；在BSG起动后，如果扭矩需求、离合器、档位、车速、SOC满足要求，进入电子怠速状态。

（2）电动助力功能：是指在瞬态加速时，如果发动机转速不超过阈值、油门踏板变化率以及油门开度达到一定阈值，利用BSG电机实现短暂的助力功能。

（3）智能能量管理：1）为使发动机工作在万有特性油耗曲线的经济区，在48V电池SOC高时，电能通过BSG转化为扭矩输出到发动机，在SOC低时，BSG将发动机扭矩转化为电能存储到48V电池中；2）在减速或者制动过程中，系统处于能量回收状态，通过 BSG进行能量回收；3）根据 12V系统中的用电负载以及12V蓄电池的SOC，混动系统会智能的调整12V蓄电池的充电电压，从而实现12V电池智能发电。

图2 48V P0混动系统软件组成

3 48V P0混动控制策略开发

3.1 控制策略开发流程

48V P0混动系统的控制策略开发完全按照ISO 26262的V型开发流程，如图3所示：分别为需求制定、软件架构设计、图形化建模仿真、代码转换集成测试，硬件在环测试以及整车的标定验证，同时在前期的需求以及架构设计也同步进行功能安全设计，对系统中存在的软件硬件可能的风险点进行识别，并制定规避措施或者冗余的安全防护。

图3 软件开发V流程

3.2 核心控制模块

48V混动系统控制模块主要分为以下几大模块：（1）上下电模块，简称PMM模块；是指控制整车电控系统，如BSG、48V动力电池、ECU、DC/DC等核心控制器唤醒、初始化以及下电时的休眠等动作；（2）扭矩需求模块，简称TQD模块，主要是依据驾驶员油门踏板的开度以及变化率，识别出驾驶员的需求扭矩；（3）扭矩分配模块，简称TQS模块，是指依据混动系统的能力和发动机运行经济区域来对TQD模块的扭矩请求进行合理的分配，从而保证混动系统运行在最佳经济区；（4）能量管理模块，简称HSM模块，主要是与TQS模块一起，对混动系统的能量进行有效的管理，从而保证系统运行最佳。简单的理解可以认为HSM是决策模块，决定不同的工况发动机和电机的扭矩，TQS模块是一个执行模块。

3.3 节油策略设计

48V混动技术主要涉及节油的策略主要有三种：一是发动机起停技术；二是保持发动机工作在万有特性区域内；三是能量回收。

（1）发动机起停技术：是指在遇到红灯或者拥堵路况时，又或者在车辆低速行驶时候，发动机主动停机，利用48V动力电池给整车进行供电；需要发动机起动时，BSG会直接将发动机拖动至较高转速，如700rpm，

而避免传统起动时的加浓导致油耗和排放变差。

（2）发动机工作在外特性区域，是指在满足驾驶员需求扭矩的情况下，通过BSG的充放电功能，维持发动机运行在万有特效区域内，从而降低油耗。

（3）能量回收，是指在滑行阶段和制动阶段，可以利用电机发电产生能量储蓄在48V动力电池中，此部分能量用作BSG提供动力，避免了滑行和制动过程中能量的损失。

4 实车测试与结果分析

对于48V混动控制系统的设计方案，在NEDC工况下与传统车在转毂上进行对比测试，以证明48V混动系统对整车油耗的贡献度。

试验两台车辆除混动模块区别外，其他参数均相同。按照国五法规规定的加载系数在转毂进行加载，采用NEDC循环测试，试验车辆排出废气经过稀释后进入CVS-4000型定容采样系统和AMA-4000型气态排放物分析系统，试验对比结果见下表。

表1 实车排放及油耗结果对比

为保证试验的一致性，在排放开始前将12V电池充满电，采集多组结果，保证数据的可靠性。从试验结果看，混动模式对排放的影响不明显，但对油耗的贡献较为明显，可以实现节油15%左右。

5 结论

本文基于 48V混动系统在整车上的应用方案进行了研究，主要利用常规驾驶过程中的起停技术，电机助力，以及能量回收等技术，实现了整车利用48V混动技术的节油目的。通过在实车上的测试及运用，表明48V混动技术对试验目标整车油耗有15%的油耗贡献度。

但是48V混动技术的发展还不仅仅局限于此，48V作为国家规定的低压电压范围，在整车绝缘防护等方面可以节约很多的成本，所以国内对于48V混动技术的运用还在不断的探索中，希望本文对后续的研究有一定的意义。