基于48 V弱混重型汽车技术发展现状与应用

周 鹏，康 南，吴相稷

(1.昆明冶金高等专科学校电气与机械学院，云南 昆明 650033；2.湖州职业技术学院机电与汽车工程学院，浙江 湖州 313000；3.昆明理工大学交通工程学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

石油是全球短缺燃料资源，环境气温变暖，使得各国陆续制定中长期汽车燃料消耗法规，尤其重型汽车的燃油经济性较差,其燃油经济性和碳排放要求更加严格；2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上发表题为《继往开来，开启全球应对气候变化新征程》的重要讲话,进一步宣布[1]：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。

48 V弱混动力技术，因其较低的成本，简便的改进升级技术，成为国内外各科研院所和汽车厂商提高燃油经济性和降低二氧化碳排放的新技术实施路径。

本文拟对48 V弱混汽车动力系统及发展现状作分析，希望为相关科研技术人员提供参考。

1 48 V弱混技术

混合动力技术，作为燃油车和纯电动汽车的过渡技术，兼具2种动力系统的优势，在减少油耗，节能减排方面的潜力是巨大的，基本组成如图1所示。

图1 48 V弱混动力系统基本组成Fig.1 Basic composition of 48 V mild hybrid power system

低压的48 V弱混动力技术，是将目前汽车的12 V电瓶作为基础，再融合加装一套48 V的电源——电动机；此种低压弱混合动力系统相比现今的高电压、超高压混合动力电动汽车，结构简便、较易匹配和成本略低，比之12 V的自动起—停技术更加低排放。根据电动机安装位置的不同，48 V动力系统有BSG(Belt-driven Starter Generator)和ISG(Integrated Starter Generator)2种结构形式，如图2所示。

P0：起—停电机和内燃机通过皮带相连，BSG；P1, P2为电动机、内燃机和变速机构共轴安装布置，由几个多片离合器决定控制内燃机与电动机的功率耦合，ISG。 图2 48 V弱混动力系统结构形式Fig.2 Structural form of 48 V mild hybrid power system

48 V弱混动力技术，其基本原理与丰田、通用等广义混动原理类似，均需通过电机与传统发动机串联或并联工作，可以给车辆行驶以额外动力，亦可在制动时进行能量的再生利用。超车、加速时的辅助动力提供能够很好地缓解发动机在高转速负荷、负载的瞬时冲击，使发动机运行于最佳燃油工作区。

2 48 V弱混动力系统控制策略分析

根据48 V弱混动力系统的作用功能阐述，拟分析车辆在启动和动力分配方面的能量管理策略。该弱混系统提高了车辆的供给电压，能够在同样大小电流下，提供更高功率输出。BSG系统布置的48 V系统可以进行车辆起—停、制动能量再生、电机辅助和扭矩控制优化等功能。笔者分析了车辆的起—停、扭矩控制优化的控制策略。

2.1 48 V系统起—停控制策略

汽车的自动起—停技术，因其在提高燃油经济性方面的效果明显，在传统车辆中已经基本普及，尤其在中级车及自主品牌车型中得到广泛应用。该技术主要是指当车辆在交通行驶停车后，车辆控制系统自行关闭发动机，发动机运行工况删除怠速运转模式，没有发动机的空转—怠速工况，从而发动机油耗为零；继续行车后，控制系统自动检测节气门开度，起动车辆，汽车即进入行驶正常工况。对于重型车辆的城市工况、交通流量大的路段，该技术节油效果尤为明显。

车辆起动策略：发动机总起—停开关开启，车辆离合器或变速箱档位变换，发动机起动次数在有效值内，此状态下，若变速箱位于空挡，车辆离合位置变化在15%以上时，整车处于起—停模式的起动状态。

车辆停机策略：总起—停开关开启，动力电池的荷电状态SOC>0.8，发动机冷却液温度正常(60°)，车辆制动系统良好，整车检测设备正常；当车辆行驶速度<10 km/h时，常规摩擦制动踩下，变速箱档位处于空挡，整车的起—停模式处于工作状态。

文献[2]对车辆的停机控制策略作了更为深入的分析。

2.2 扭矩控制优化策略

车辆扭矩控制优化策略主要是指汽车行驶转矩控制和制动时能量的再生利用控制。车辆在制动工况时，整车控制系统收集传感器返回信号，依据制动减速度等参数值，优化分配摩擦制动和再生制动力矩，以最大再生制动能量为标准将制动机械能转为电能的形式储存起来，以备利用。汽车在起动、急加速或大负荷、全负荷模式时，驱动整车行驶，电动机提供额外扭矩，实现超常加速克服大负载的功能。

行驶转矩控制策略：车辆需求扭矩较小(<15 N·m)或车辆所需克服负载>120 N·m时，电动机单独驱动车辆或辅助车辆行驶。

制动时能量再生策略：制动所需减速度较小(<0.1 g)或制动减速度过大(>0.8 g)，车辆进行摩擦制动，以满足制动要求。当制动减速度在(0.1～0.8 g)时，车辆处于非紧急制动工况，实现制动能量的回收，进行再生制动，以备驱动模式作为辅助能量。

关于能量再生的控制策略研究，可参阅文献[3][4]的详细分析。

3 高效混动机理与电源能量管理策略

3.1 车辆高效混动机理分析

依据车辆行驶理论和混动技术的匹配分析，现阶段发动机+电动机混合动力系统实现高效混动的下列4条件缺一不可，且4个基本条件需要同时满足。

1) 1台排量合适的宽域高燃效引擎(发动机)；

2) 至少2台不同功率等级且与内燃机的燃效区融合高度互补的非同位电机；

3) 由这2台电机所组成的，能够使发动机持续保持高效区运转的传动系统；

4) 一套科学、先进的能量管理逻辑。

上述4种要素条件只有同时具备，该汽车才能真正实现高效混动。

3.2 48 V电源能量管理策略

该48 V弱混重型汽车的电源能量管理中，主要是实时测量电池的荷电状态(State of Charge，SOC)、可循环寿命、工作温度等参数，避免电池出现短路、太热、过饱和充电以及欠压放电现象，从而保证电池的可靠使用和安全工作。电动机的需求扭矩用Tt表示，实际扭矩为T；笔者对电源系统的能量管理策略制定如下：

状态一电源荷电状态(0.65

状态二电源荷电状态(0.25

状态三电源荷电状态(0.45

在文献[5-6]中对电源系统的能量管理策略作了深入阐述。

4 应用与趋势

通过理论分析，48 V弱混系统有较好的市场前景，目前自主品牌汽车已经在相关技术研发方面展开探索，小轿车、SUV和中大型MPV等车型均有涉猎。

在北京车展中，广州本田雅阁锐—混动车型，将最新技术i—MMD两电机混动系统加装到本田FUNTEC环保科技中，搭载2.0 L自然吸气主动力总成，与发动机的智能动力单元相协调，将燃油经济性和驾驶操控完美结合于一体，在官方的实测报道中油耗仅 4.2 L/100 km。

全新的奥迪A6已是第二代搭配 48 V 的混动系统，设计了2.0T、3.0T两种版本动力系统供消费者选择。最新一代的梅赛德斯奔驰C级，也展出了一款48 V弱混外加1.5T涡轮增压的车型，内燃机最大峰值功率可达135 kW，280 N·m的转矩，弱混辅助动力48 V电源可产生10 kW功率，160 N·m扭矩。该动力融合模式下，燃油经济性显著提高。

另外还有自主品牌中一汽海马福美来轻混车型[4]，搭载1.2T涡轮增压发动机外加48 V电源，工信部综合油耗5.1 L/100 km。

在重型车辆的设计中，这一技术还鲜有应用。重型汽车在起步、加速、上坡和超车等运行工况的燃油经济性是最差的，尤其在重载满载的运输中，其油耗值高得惊人。相信在不久的将来，48 V弱混动力技术的优势在重型汽车的应用将逐步实现，其燃油经济性将有良好的表现。

5 结 论

48 V弱混动力技术作为汽车节能减排技术路线写入《中国制造2025》发展规划，配套的后续政策定将相应出台。尽管在有些国家和地区并不将其视为“混合动力”技术，导致该技术只能装备在中高端、豪华车型中；但实测燃油经济性，48 V弱混动力的优势已日趋明显。因此相应政策亟需出台，使这一技术的应用向中低端、A级家用轿车和重型汽车倾斜。

从工作原理上分析，48 V弱混动力技术的节能与现行混动技术类似，不需过高投入改变原有动力布置，是低成本、高效率、低投入、高产出的清洁混合动力系统。(48 V弱混系统的电机和设计制造工艺要求较高，因其仅用于小负荷、低负载的辅助驱动，总体成本要低于纯电动汽车主驱动负载电机的设计研发)。

从应用角度分析，(当前的主要研究攻克方向是尽最大技术手段，进一步改善48 V混动系统的技术，降低成本)毕竟与传统汽车相比，采用这种动力系统的汽车价格仍要高出一截。中汽协为适应国家燃油排放标准，对整车主机厂也提出了“48 V混动系统”的增加成本要<0.5万元的要求。随着整车控制技术的不断进步，为实现2030年中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上、非石化能源占一次能源消费比重将达到25%左右的伟大目标，在不久的将来，48 V弱混技术将成为汽车的标配。