48V中混系统对柴油动力综合性能改善的研究

任坤腾

摘要：分析了48 V中混系统中的P0架构对于传统内燃机，尤其是对于柴油机的综合性能改善效果。为了进行量化验证，在某台匹配2.0T柴油机和8AT变速箱的全尺寸SUV上进行了改制与试验验证。结果表明，48 V P0架构在该车型上的起动性能和动力性能有明显改善。同时，在新欧洲行驶循环（NEDC）工况下，发动机的原始排放中，氮氧化物（NOx）改善了25%左右，燃油耗降低了11%，有效地改善了整车燃油耗。

关键词：混合动力;柴油机;综合性能;燃油耗;排放

0 前言

当前，汽车行业越来越受到来自于政府和社会公众要求降低燃油耗的压力，有史以来最严格的汽车燃油耗法规也正逐步向所有车型推广。例如，欧盟要求新车到2020年的CO2排放达到95 g/km，即汽油车百公里燃油耗为4.11 L，柴油车百公里燃油耗为3.60 L。中国政府要求到2020年汽车平均百公里燃油耗达到5 L，美国、日本等其他国家也有类似的要求。

然而，仅依靠提高内燃机效率很难达到这一要求。随着汽车混动技术及电池技术的发展，传统内燃机有被混动及纯电车型取代的趋势。但是，在中短期内，带有制动能量回收的混动系统被认为是汽车行业降低CO2排放最有效的技术。可以认为，传统动力总成的电气化是未来提高效率及降低燃油耗的1条非常可行的技术路线。汽车行业正面临着自诞生以来最大的技术变革。

48 V混合动力技术属于中混系统的范畴，基本具备了全混系统或者深度混合动力的全部功能，如起停、助力、能量回收、发动机工况点调整、一定车速下的纯电行驶、纯电起步、发动机熄火滑行等功能。48 V中度混合动力系统相比纯电动系统降低了成本，同时也实现了降低CO2和污染物排放的综合目标。

相对于汽油动力，柴油动力具有昂贵的后处理成本、相对较大的转动惯量，以及由此引发的起动和怠速噪声.振动.平顺性（NVH）抱怨，这是柴油机无法在乘用车上大规模普及与应用的1项重要制约因素。

本文针对48 V中混系统，开展了技术研究，采用了柴油动力。主要研究目的在于发掘48 V中混系统对于柴油动力综合性能的提升，同时初步探讨48 V中混系统对发动机原始排放的降低效果，以及由此引起的后处理成本下降的收益。上述优势将是柴油机匹配48 V中混系统能否在乘用车上大规模应用的关键。

1 48 V中混系统架构

如图1所示，取决于电机在整个动力总成上的不同布置，混动系统有5种不同的拓扑架构[1]，48 V混动亦是如此。5种不同布置形式分别是：（1）P0.电机位于发动机前端，皮带式起动发电机（BSG）;（2）P1.电机位于发动机和离合器之间的曲轴上，集成式起动发电机（ISG）;（3）P2.电机位于变速箱的输入轴处;（4）P3.电机位于变速箱的输出轴处;（5）P4.电机位于没有机械连接的传动车轴上。

对于P0架构来说，它可以取代传统的交流发电机，而且只需要对前端附件传动（FEAD）的皮带和皮带轮张紧器进行调整，使BSG能够在2个扭矩方向上工作。通过BSG提供动力来辅助发动机，或在制动时回收动能。因此，在P0位置安装电机的成本和变化较小。但是，P0拓扑的主要缺点是效率较低。这是因为皮带传动不如其他拓扑中使用的齿轮传动更加有效。当BSG处于回收模式且发动机停机时，发动机倒拖扭矩增大，并减少转换为电能的能量。P0电机理论上可以支持纯电行驶工作模式，但是由于电机必须克服发动机阻力扭矩，以及考虑到传动系统部件的损失，因此工作效率非常低。

尽管如此，综合上述利弊，P0架构依然是目前最容易实现的方式，并且性价比相对最高。P0架构的BSG电机可以有不同的电压范围，如12 V、36 V、48 V、86 V、115 V，甚至350 V等。综合整个供应商体系、整车电压平台、系统成本等因素，当前的P0架构以48 V为主流模式。

本文研究基于48 V P0架构而开展，增加了48 V BSG电机、电池、直流转换等，相关车辆参数如表1所示。

图2所示为当前P0系统的架构图。发动机与BSG电机通过皮带、双向张紧器实现连接。BSG的控制器通过48 V电池和48.12 V直流交换，实现电源交互功能。此架构保留了12 V起动电机，以保证低温起动性能，以及首次车辆起动过程。

在大多数情况下，首次起动一般都会采用12 V起动机拖动的方式，以保证发动机正常起动。在发动机暖机后，为整个48 V电网建立起电压，随即由BSG电机负责起动，以及完成发动机起停功能。

2 48 V中混系统对柴油机性能的改善

电机的低速大扭矩特性和快速的扭矩响应特性对内燃机运行有较好的辅助作用。因此匹配48 V P0架构的系统，内燃机性能会得到不同程度的提高。

2.1 起动性能

传统柴油机的起动或者起停，依赖于12 V起动电机来实现。由于起动电机自身功率的限制，常规的起动方式是通过12 V起动机将发动机转速拖拽到200～300 r/min左右，之后内燃机通过增大进气量、加浓混合气的方式进入怠速状态。但是，这样会带来燃油耗和排放的恶化[2]。

48 V P0中混系统的起动模式是由电机将发动机拖拽到800 r/min左右，之后发动机开始进气、喷油和点火。这种起动模式可以避免发动机从300 r/min到怠速阶段时候起动的不平顺性，缩短起动时间。2种系统的起动表现如图3所示。

从图3可以看出，48 V电机相对于12 V电机，起动时间缩短50%以上。高转速起动的另外1项优势是可以显著改善整车NVH性能的表现。

通过在48 V P0柴油動力车的方向盘、座椅处安装Z方向加速度传感器并测量加速度，以此来评估NVH性能。试验表明，48 V P0系统能够明显地改善NVH性能，如表2所示。

在通常情况下，柴油机动力的转动惯量比较大，起动阻力也相应较大。现阶段，48 V电池的低温放电功率尚不足以完全克服此阻力矩。结合当前48 V电池的充放电功率特性，研究人员对48 V电机的起动策略相应进行了调整。

如图4所示，针对某2.0T型柴油机，当环境温度为-5 ℃以上时，采用48 V起动的策略;当环境温度在-30～-5 ℃之间，采用传统12 V电机起动与48 V电机BSG综合起动的策略。在此策略下，起动时间约为传统12 V电机起动的33%～50%左右，起动时间大幅度缩短，起动性能大幅度改善。

在48 V电机BSG起动方式下，发动机转速被拖拽到800 r/min左右，之后混动控制单元控制内燃机以理论空燃比进气、喷油、点火，达到降低燃油耗和排放的目的。如图5所示，在起动瞬间，BSG提供了55 N·m的扭矩，将发动机转速拖拽到1 300 r/min。之后，发动机开始喷油、点火，确保了良好的起动性能，并且减少了起动喷油量[3]。

2.2 外特性扭矩影响

48 V BSG电机通过皮带耦合到发动机曲轴上。当电机与发动机同向运转提供助力时，曲轴端扭矩相应提高，该部分叠加的扭矩有助于提高整个动力系统的扭矩外特性。如图6所示，针对某型2.0T 柴油机，轮系速比为3.3，外特性有了明显提升，尤其在低转速1 000 r/min时，使最大扭矩提高约50%。

最大扭矩的提高也会相应改善整车百公里加速性能。如图7所示，搭载某2.0T型柴油机、匹配8AT自动变速箱的SUV车型在匹配48 V电机系统之后，百公里加速性能实测改善了0.9 s，效果明显。

2.3 瞬态响应影响

BSG电机的扭矩提升速度要远快于传统内燃机，尤其是优于转动惯量比较大的柴油机。因此，48 V BSG对于匹配柴油动力车型的低速扭矩响应有明显改善。如图8所示，针对某款匹配2.0T 柴油机、8AT自动变速箱的SUV车型，试验表明，在小油门、低车速情况下，起步加速度有明显改善。在30%油门开度下，48 V BSG起步加速度提高了約1倍。同时，如50%等不同油门开度下的起步加速度均有不同程度的改善。

2.4 排放

由于柴油机采用稀薄燃烧，氮氧化物（NOx）排放是首要问题。当前，柴油机后处理系统的典型处理方式是采用氧化催化器（DOC）、选择性催化还原（SCR）系统和带SCR的柴油机颗粒捕集器（SDPF）等。理论和实践都表明，大部分NOx排放来自于冷起动阶段，以及每个瞬态加速阶段。

在匹配了48 V BSG电机之后，在同样油门开度下，保持车辆运行所需要的总扭矩不变，电机可以根据不同的标定策略输出扭矩，从而降低发动机负荷，减少废气排放。

针对某款搭载2.0T型柴油机，匹配8AT自动变速器的SUV车型，研究人员通过尝试不同的标定策略，在保证电池荷电状态（SOC）平衡的前提下，尽可能多的提高了电机扭矩输出，从而达到降低NOx排放的目的。如图9所示，当车速为47.6 km/h时，轮系速比为3，电机扭矩为11.9 N·m，发动机扭矩约为84.2 N·m左右。此时，飞轮端总输出扭矩为119.9 N·m，而BSG电机扭矩占了总输出扭矩的42%左右，大幅度减少了发动机的对外扭矩输出，从而减少了发动机原始排放[4]。

2.5 高速起停

某款搭载2.0T柴油机，匹配8AT的SUV车型，其不带48 V版本的基础车型由于受变速箱硬件的限制，自动停机一般发生在0～3 km/h的车速工况范围内。其主要原因在于该变速箱在发动机停机之前需要维持300～600 r/min的飞轮转速，以此来给变速箱蓄能器提供蓄能。这就存在着从发动机恢复供油（发动机转速大约1 100 r/min、车速大概11 km/h左右）到进入自动停机时刻（发动机转速约600 r/min、车速大约6 km/h左右），发动机需要通过喷油来维持此转速需求，而这将带来燃油耗的损失。

如图10所示，在匹配48 V BSG系统之后，通过开发BSG的辅助怠速功能，在此车速和发动机转速段内，通过BSG电机维持飞轮端转速，而发动机维持断油状态，以此达到降低燃油耗的目的。通过仿真表明，在全球轻型汽车测试循环（WLTC）循环中，燃油耗降低了0.6%。

3 结果分析

如图11所示，在某款搭载2.0T柴油机，匹配8AT自动变速器的SUV车型上，通过搭建48 V P0系统架构，在新欧洲行驶循环（NEDC）工况下，平均燃油耗下降了11%，缩小了该车型与第五阶段燃油耗目标值的差距，为企业减小了负积分损失。同时，发动机原始排放平均下降了25%，也为后续研究如何在增加48 V P0系统架构后降低后处理的成本提供了参考。

4 总结

48 V中混系统在传统发动机起停技术的基础上，提供了额外的系统节油效果，并提供了更好的驾驶体验。针对柴油动力， 48 V电机P0架构通过BSG电机提供动力辅助和能量回收，大幅减少了汽车停机过程中的能量损失。同时，由于电机低速扭矩大、响应快，弥补了传统柴油机在低速段扭矩低、响应慢的劣势，加快了整车起动速度，提升了驾驶体验。此外，48 V电机P0架构在降低燃油耗的同时，对污染物排放有较明显的改善。这对于降低柴油动力昂贵的后处理系统的成本作用非常明显。

可以预见，在未来5～10年内的汽车节能减排路线中，48 V电机系统将会在柴油动力中得到越来越多的应用。

参考文献

[1]RAN B，VICTOR A，JAMES B. Effect of 48 V mild hybrid system layouts on powertrain system efficiency and its potential of fuel economy improvement[C].SAE paper 2017.01.1175.

[2]祁克光，黄开胜.增强型起动机起停系统与48V BSG技术分析[J].汽车电器，2016（7）：44.47.

[3]赵冬昶，王昊，禹如杰，等. 48 V汽车电气系统怠速启停技术应用趋势分析[J].汽车工业研究，2015（10）：41.47.

[4] 王震，哈迪，张威威，等. 48 V微混系统降低油耗策略分析[J].汽车技术，2017（2）：1.4.