日产公司新型混合动力总成“e-POWER”

木村誠 秋山秀勝

0 前言

日产汽车公司全新开发的混合动力总成“e-POWER”系统于2016年配装在小型轿车“NOTE”车型上，又于2018年配装在厢式旅行车“SERENA”车型上。e-POWER除了具备传统的混合动力汽车(HEV)的良好燃油经济性外，同时由于仅采用电机驱动，可为客户提供强劲的动力性能和驾驶愉悦性[1]。

1 e-POWER系统的定位

为了进一步实现安全的、可持续发展的交通环境，日产汽车公司正在将车辆的智能化与电驱动化作为产品经营的核心技术(图1)。这样的技术开发策略、经营理念将有助于提高技术的适应性，同时能改善环境问题，并相应减少交通事故发生机率。目前汽车电动化进程已从仅在传统内燃机上附加电动化部件的水平，发展到由电机驱动的最终目标，即电动汽车(EV)。本文所介绍的e-POWER，由于与EV共用动力传动系统，将对EV的正式普及与应用发挥起到正面推动作用[2]。

图1 日产汽车公司技术开发方案的2个方向

e-POWER系统最大限度地运用了纯电动系统的优势，发电系统从动力传动系统中分离出来并作为机械装置的技术(车辆的汽油机作为发电专用动力装置)有以下优势：快速、线性、顺畅的加速体验；顶尖的燃油经济性能；与EV相近的静音性；通过“e-POWER驱动”即可获得全新的驾驶体验。

2 e-POWER的概况

采用串联式混合动力系统的e-POWER的最大特点在于动力传动系统与发电系统从机构上得以分离。图2示出了系统结构。

图2 e-POWER系统的结构布置

e-POWER系统通过VCM进行控制。VCM则与MC、GC、BMS及ECM相连接，通过最佳发电方式进行能量管理与驱动力控制。由于动力传动系统具有与发电系统从机构上得以分离的特点，通过与EV同样的电机驱动方式即可提供良好的行驶性能。同时，发动机在高效的工作点进行运转，并力求改善燃油耗。此外，发动机能在有利于实现减振降噪的运行区工作。图3示出了e-POWER系统的外观。表1列出其结构部件的主要技术规格。发电系统是以配装于NOTE车型上的HR12DE型发动机为基本机型，由该机型与电动发电机所组成。采用的动力电池为锂离子蓄电池。为实现快速的加速响应，而采用了高功率的型号。

图3 e-POWER外观

表1 e-POWER系统的主要技术规格

当其配装于厢式旅行车(mini-Van)SERENA车时，可将电机转矩提高26%，将最大输出功率提高25%，确保其在厢式旅行车上使用时具有充裕的动力性能。此外，随着电机功率的不断提高，将作为供电源的锂离子蓄电池的功率提高20%，并从EV上体验到良好的加速响应性(图4)。而且，就厢式旅行车而言，即使多人乘车旅行，也要求可在整个速度区发挥良好的加速响应性，除了使蓄电池容量增加22%外，作为发电专用的HR12DE型发动机，实现了与SERENA e-POWER车型的整合，通过使发动机的最大功率提高7%，并使蓄电池达到完全充电的状态(SOC)区域。

图4 e-POWER系统的良好加速过程

3 系统设计

3.1 系统设计理念

e-POWER系统具备只由锂离子蓄电池供电即可行驶的技术潜力。图5的●和▲表示NOTE e-POWER车更具代表性的行驶工况。另外，在山区道路等区域进行高负荷连续运转时，则由电机实现供电行驶(图5的◆所示)，通过结合蓄电池与电机的协同供电方式，可以实现与EV同样强劲的加速效果。

图5 能量消耗及产生功率的平衡

3.2 顶级水平的燃油经济性

e-POWER系统的发动机与动力传动系统并非通过机构而是直接连接的，并且可任意选定发动机的转速与扭矩。通过VCM运算各部件的目标值，以便有效运用这些特征，在各项性能要求(动力、驾驶性能、噪声、振动、排放、散热、采暖、制动负压、零件保护、故障诊断等)的容许范围内具备最佳的燃油经济性。此外，如图6所示，在驱动功率比最佳燃油耗点更低的情况下，用其剩余电力向蓄电池充电，进而控制发动机的工作点。在驱动功率较高时，通过由剩余电力供给的能量(A)和补充车辆加速时所需的能量(B)，使发动机的工作点尽量接近车辆最佳燃油耗点，进而使燃油耗降至最低。

图6 能量管理的概念

其结果表明，NOTE e-POWER车与其他相似的车型相比，实现了在较高频度下的最佳燃油耗工况点的运转(图7)。在SERENA e-POWER车上，扩展了最佳燃油耗区，在低车速与中高车速工况下，不仅可运用最佳的耗油率，还可划分工作点区域以实现运行(图8)。

图7 实际燃油经济性的工作点(日产公司)

图8 内燃机工作点的分布

3.3 与EV相似的静音性

为了实现与EV相似的静音性，设定了EV行驶区，即仅使用锂离子蓄电池供电即可行驶的区域。图9表示SERENA e-POWER车的EV状态行驶区。其涵盖了日本市场上行驶频度较高的中低速区，并且可扩展到其他HEV的中低速行驶区。即使在高速区，锂离子蓄电池SOC较高的情况下，也应最大限度地持续以EV状态行驶，而当SOC有所降低时，在发电设计上应做到与发动机噪声相比，运行更加安静的技术特点，并对锂离子蓄电池充电。

结果表明，参考市场上客户通常用车方法为代表的行驶模式(包括在城区道路、小区公路、交通滞塞道路、高速公路等路况下行驶)中各个车速区的EV行驶时间所占的比例，NOTE e-POWER车占据约50%，SERENA e-POWER车占有约45%的份额，实现在中低速区域内较高的EV工况行驶比例。

图9 EV行驶区域达到的水平

4 提供新型驾驶体验的“e-POWER驱动”

e-POWER系统可充分运用只使用电机作为动力源的技术特点，将制动能量回收系统、坡道路段校正、抑制低摩擦因数(μ)道路滑移控制等技术进行有机结合，设定了兼顾驾驶性与耗油率的良好运行模式。并将该运行模式称为“e-POWER驱动方式”，以此满足客户的需求[3]。

从e-POWER的驱动方式来看，NOTE e-POWER车上只要操纵加速踏板，即可实现在90%左右的路况下的通用的行驶模式，堪称全新的驾驶方式。在此需要具备2种要素：设计在操纵加速踏板时由于减速而出现的滑行转矩；便于控制车辆制动时的减速度。

关于滑行转矩的设计，通过有效地运用作为电机驱动优势的设计自由度，如图10所示，能涵盖90%以上的路况下行驶所需的制动减速度，其结果表明，只需操纵加速踏板，即可实现有效减速，并可缓解减速时踩踏制动踏板的操作。

图10 e-POWER驱动的实际减速频率与制动减速度的特征

关于减速度的可控制性，采用加速踏板操纵以实现减速时，根据驾驶员操纵过程的分析结果，着眼于以下3种形式的减速：在跟随前方车辆行驶时，通过操纵(加速踏板)以产生微小减速；在交叉点停车等使用膝部操纵产生的减速；与前方车辆的车距较小时，通过停止踩踏加速踏板以实现减速。组合上述操纵方式并获得驾驶员所需的减速度，如图11所示，e-POWER驱动仅通过加速踏板进行操纵，并以此实现制动减速度的可控性。

图11 减速分布图

5 增强e-POWER系统EV行驶的习惯驾驶模式及充电模式

作为SERENA e-POWER车上的充满潜力的功能，通常采用习惯驾驶模式及充电模式。e-POWER系统的发动机与动力传动系统并非通过机构而是直接连接，所以可不按行驶状态实现自行发电。e-POWER系统是仅通过电机驱动的动力总成系统，因为利用发动机在尽可能最佳的燃油耗工况点进行发电，所以采用具有较大容量的蓄电池。充分利用该特点，驾驶员可以不根据行驶状态，按照任意时间对蓄电池进行强制充电，就能使发动机停止运转，并通过蓄电池储存的电能实现静音行驶。当习惯驾驶模式无法维持EV行驶的情况下(蓄电池SOC较低，或进行适度暖机时)，设定了即便用户按下习惯驾驶模式键，该模式也不会运作。

图12示出了习惯驾驶模式的评价结果。这种评价并非与车辆状态一致，而是在各种各样的行驶状态中采用习惯驾驶模式，进而评价EV的行驶时间与路程。e-POWER系统的所有测试数据表明其可实现350 m以上或者1 min以上的EV行驶状态，80%的数据表明其可实现3 min以上的EV行驶状态。如果符合条件，最大可以实现距离约6 km，或时长11 min左右的EV行驶状态。这是传统HEV所无法实现的，可为用户提供HEV的全新价值，即用户通过精心操作，可长时间体验以往由纯电动车(BEV)提供的静音行驶性能。

图12 习惯驾驶模式所达到的技术水平

6 结语

日产汽车公司重点关注了EV由电机驱动的技术特点，为众多客户提供了具有良好行驶性能的车型，为此开发了动力总成e-POWER，并将其配装到了全新的NOTE、SERENA车型上。因此，驱动系统具有与日产公司LEAF车型相同的控制体系，共享了电机驱动控制技术及相关零部件。此外，利用e-POWER驱动的行驶模式，只需操纵加速踏板，就能轻易地进行车辆的加速及减速控制，实现了全新的驾驶体验。而且，在SERENA e-POWER车型上，设定了全新的习惯驾驶模式，用户仅通过按键操作，即可以进行EV状态行驶。