燃油车48V混动系统P0架构混动模式性能优化策略研究

雷志豪 武珊

摘要：汽车的普及引发环境污染问题，目前国家出台一系列措施降低汽车排放，减少尾气对环境的污染，其中包括推广应用不同拓扑结构的混动车辆系统等。基于此，提出了一种基于48 V混动系统P0架构的燃油车混动模式性能优化策略，对车辆混动模式进行优化改进和升级，然后进行分析验证。结果表明，该48 V混动系统P0架构的燃油车污染排放、功能、经济性和整车动力性等均提高约23%以上，满足了混动系统升级改造需求。

关键词：燃油车；48 V混动系统；P0架构；混动模式；性能优化策略

中图分类号：U469  收稿日期：2023-04-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.004

1 前言

节能减排是目前国家大力倡导的一种环保理念。在政府部门的推行之下，汽车行业也开始推广低耗能汽车，但是在现有的技术条件下，很难通过发动机升级来提高汽车整车节能性。在48 V混动技术支撑下，车辆开发的成本大大降低，它为车辆整车燃油性能优化和节能减排提供了保障[1]。本文通过在混合动力汽车中搭载48 V混动系统P0架构，并对某家用多用途汽车BSG电机进行优化，以提高整车性能，并基于车辆混动模式性能优化策略降低汽车污染排放，改善驾驶体验。

2 燃油车48V混动系统P0架构

在车辆工程中，电机的实际布置位置，往往决定了燃油车48 V混动系统P0架构具体情况。就现阶段而言，我国燃油车48 V混动系统一共包含了6种完全不同的P0拓扑架构体系[2]。在图1所示的不同拓扑架构中，一般主要在汽车发动机前端轮系处布置燃油车48 V混动系统P0架构的电机，而混动系统P1架构和混动系统P2架构的电机则分别布置于车辆变速器与发动机之间和变速器输入轴处，另外，混动系统P3架构、P4架构及PS架构的电机一般分别布置于车辆变速器的输出轴处、传动车轴中（此处没有机械连接）和变速器内部区域[3]。

以某家用多用途汽车为例，本研究在带有12 V自启停系统的MPV车型上搭载和配置基于P0架构的48 V皮带传动启动/发电一体化BSG电机混动系统，在此基础上对该燃油/电动两用汽车进行性能优化改进，结果发现，经过对原车48 V动力电池、BSG电机和DC-DC直流变换器等部件进行改造，增加了新的自动启停系统，大大提升了整车的燃油动力性能[4]。表1所示为经过改造优化后的车辆相关动力参数。

在本研究项目中，此家用多用途汽车BSG与发动机之间主要采用皮带进行传动，而DC-DC直流变换器以及48 V动力电池及BSG一体化电机之间主要通过逆变器实时转换电压。在该混动系统拓扑架构中，发动机是主要的车辆驱动源，与此同时，基于一体化电机为车辆行驶提供相应的辅助动力[5]。另外，本项目还保留了原有的12 V皮带传动自启动电机，从而确保车辆48 V电池及发动机在冬季低温或者电池实际电量过低的情况下，能够快速正常启动以保证车辆的正常行驶。

3 燃油车48 V混动系统P0架构混动系统功能

3.1 发动机怠速自启动功能

目前，市面上推出的燃油车48 V混动系统主要分为高混型燃油车、48 V中混型汽车以及12 V微混型汽车等不同类型，其中，本研究采用的48 V混动系统可以同时实现12 V微混、48 V高混等各项混动功能。在车辆行驶前，车载皮带传动启动/发电一体化电机主要依靠汽车内置的动力电池所提供的巨大能量，将汽车发动机的实际转速由“0”拖拽到“怠速”状态。与传统的12 V微混型汽车发动机相比，本研究使用的是同时兼具12 V微混、48 V高混等各项混动功能的混动系统的电机，该电机具有更高的运行功率，因此它能够在更短的时间范围之内，将汽车发动机的实际转速由“0”拖拽到“怠速”状态。在汽车发动机怠速自动启动功能实现过程中，发动机启动时的NVH声振粗糙度具有良好的表现，噪声较小，振动不大[6]。

3.2 纯电驱动功能

混动系统车辆发动机在汽车刚起步运行时，所需的实际功率往往较小。在这种情况之下，可以采用纯电动驱动的方式来将汽车启动和行驶过程中的实际排放量降低至最小，由此可以大大提升汽车的整车燃油经济性。

3.3 其他功能

除了怠速自动启动和纯电驱动之外，燃油车48 V混动系统还可实现汽车的起步助力。比如在汽车启动过程中，当油门踏板开度明显比系统预设的实际阈值高时，系统将会自动激活和触发助力模式，在这种工况之下就可实现对汽车的起步助力，但需要注意的是，由于混动系统车辆具体型号不同，所以系统预设的阈值也应根据车辆实际情况进行标定。

在汽车行驶之中，此燃油车48 V混动系统的电机可以替代发动机车上匹配的12 V电机，更好地发挥其发电功能。在车辆运行一段距离后，车载皮带传动启动／发电一体化电机可以通过接受混动系统的发电机输出的一部分动力，從而将其实时转化为电池能量，同时还可为汽车发动机提供反向的动力，以保证汽车发动机能够输出相应的辅助动力。

在对汽车发动机运行工况进行实时优化时，还需要有效标定汽车车载皮带传动启动/发电一体化电机运行参数，使其能够更加安全、可靠和经济地工作运行，同时还可针对汽车发动机的工作工况点进行更好的调整，以保证汽车发动机始终能够处于一种高效运行状态[7]。

4 燃油车48 V混动系统P0架构混动模式性能优化策略

4.1 怠速自启动功能优化

燃油汽车在怠速启动过程中，HCU混合动力整车控制器会根据汽车的挡位条件、前舱盖以及主驾车门闭合状态、车辆刹车条件等，对车辆运行工况进行判断，然后决定是否应该启动BSG车载皮带传动启动/发电一体化电机。在此基础上，结合汽车电机故障情况、车载电池SOC实际荷电状态等，判断分析是否应该优先启动48 V车载皮带传动启动/发电一体化电机[8]。

在本研究中，燃油车48 V混动系统P0架构下的车载皮带传动启动/发电一体化电机最大能够输出高达3倍轮系速比叠加运行工况之下的52 N·m瞬时扭矩，则实际瞬时扭矩可以达到156 N·m，由此能够确保车辆实现快速的动力输出和启动功能，其中，经过优化改进后的怠速自启动功能还能在最大程度上实现车辆的平顺启动，由此使得汽车驾驶人员的舒适感大大增强，也显著提高和改善了车辆的NVH性能。

从图2可以看出，该基础家用多用途汽车配置了P0架构的48 V混动系统之后，车辆在启动过程中，怠速自启动时间由原来的0.6 s降低到改进后的0.3 s，在怠速自启动时间缩短3 s的基础上，该车辆发动机自启动时的实际噪声也由原来的25 dB降低到改进优化后的10～13 dB左右。

4.2 车辆起步助力功能优化

在汽车需要起步行驶时，或者当汽车驾驶员有超速的驾驶需求时，该车辆的HCU系统会根据车辆的具体挡位信息、驾驶员踩踏汽车油门踏板的开度实际增加率以及车载电池的具体SOC状态来有效分析和判断、决策车辆是否需要在起步行驶或者超速过程中提供一定的助力，同时系统还能够判断车辆所需的助力扭矩大小。经过分析发现，该基础家用多用途汽车48 V车载皮带传动启动／发电一体化电机系统在助力行驶工况之下，能够显著改善和提升汽车的整车瞬态动力响应特征，同时还能够将汽车的动力系统扭矩提高35%左右。

经过对车辆运行数据进行实测，结果发现某试验车辆仅需要大约2.5 s的时间，即可将车辆由0 km/h的速度加速提升到50 km/h的运行速度，同时将车辆由0 km/h的速度加速提升到100 km/h的运行速度，只需要0.45 s左右的时间，比原来的加速时间缩短约0.25 s左右，另外，车辆在35%左右的油门加速工况下，汽车在起步时的加速性能显著提高了45%以上。

4.3 能量回收功能优化

在所有不同类型的混合动力汽车中，能量回收也是一项非常重要的功能，该项功能不仅可以有效减少汽车刹车系统损耗，而且还可将部分多余的能量及时回收，通过电机反向发电，对汽车行驶时的部分机械制动能量进行转化，既节省了汽车发动机能量，又大大提高了汽车刹车系统整体的寿命。本研究为了实现能量最大化，在汽车降速运行工况之下，通过充分了解和掌握不同时段汽车在循环行驶时的加速度、速度、可用能量以及功率等制动特性，以提高汽车能耗经济性。

4.4 变速器电机干预换档功能优化

混合动力汽车变速器在挡位升高时，会请求车载皮带传动启动／发电一体化电机降低扭矩，有效调节汽车发动机实际转速，当HCU收到发动机“降扭矩”、“升挡”等请求命令时，系统会根据车辆运行时的实际工况，有效评估48 V混动系统的实际状态，然后对车载皮带传动启动／发电一体化电机的扭矩进行重新分配，从而尽可能确保汽车发动机扭矩保持不变。另外，车载皮带传动启动／发电一体化电机还可实时响应车辆变速器在挡位实时上升过程中的“发动机降低扭矩”请求，从而能够有效防止汽车发动机瞬时升高其实际转速，保证整车碳污染排放量在一定范围内，由此大大提高混合动力汽车的整车燃油经济性。

5 结语

在混合动力车型中，采用高压系统的HEV和本研究采用的48 V车载皮带传动启动／发电一体化电机系统具备的功能基本相同，它可以通过优化汽车发动机机械工况点，从而将发动机负荷工况点由低效率区域向高效率区域转移。经过工况点转移优化，能够有效降低车辆行驶时的碳污染排放量，同时还可使混动汽车发动机始终能够在最经济区进行运行，由此大大提升汽车燃油的经济性。具体优化策略及其效果表现如下：

a.当混合动力系统发动机在高负荷状态下进行工作运行，且当车载电池实时剩余电量在50%以上时，车载皮带传动启动／发电一体化电机将输出正扭矩，从而有效减小汽车混合动力系统发动机的实际工作负荷。

b.当混合动力系统发动机在高负荷状态下进行工作运行，且当车载电池实时剩余电量在50%时，车载皮带传动启动／发电一体化电机将主要以动力输出方式为主，提高电机充电效率。

c.当混合动力系统发动机在低负荷状态下进行工作运行，且当车载电池实时剩余电量在50%以下时，车载皮带传动启动／发电一体化电机将通过为发动机提供输出发电扭矩，以此实现对车载电池进行充电，同时提高发动机运行工作负荷，并确保车载皮带传动启动／发电一体化电机能够始终处于一种较为理想的工况点进行合理运行。

参考文献：

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[3]谷路路.城市场景車辆到车辆随机几何信道模型和特性研究[D].北京：北京邮电大学，2021.

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[7]凌川.混合动力车辆加速性能预测研究[D].北京：北京理工大学，2016.

[8]张东好，项昌乐，韩立金，等.基于驾驶性能优化的混合动力车辆动态控制策略研究[J].中国机械工程，2015，26（11）：1550-1555.

作者简介：

雷志豪，男，1996年生，助理工程师，研究方向为车辆工程。