基于雙電源系統(tǒng)的整車降油耗方案

孟俊峰 歐陽丹 厲健峰 范寶琦 魏利

（1.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

目前大部分汽車的驅(qū)動能源仍然是汽油和柴油，隨著汽柴油使用量的迅猛增加，能源危機(jī)將逐漸突顯出來。對此，國家針對汽車行業(yè)出臺了更為嚴(yán)格的燃料消耗法規(guī)，工業(yè)和信息化部于2014年發(fā)布的第四階段乘用車油耗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“2020年我國生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5 L/100 km”，降油耗幅度更大，降油耗的工作任務(wù)更加艱巨，如果不達(dá)標(biāo)，不僅車企擴(kuò)產(chǎn)和新車上市受到影響，而且將可能開出高達(dá)上百億元的罰單。故就要求各汽車制造廠商必須大力研究并促進(jìn)整車降油耗技術(shù)方案的應(yīng)用。文章提出一種采用普通鉛酸蓄電池+鋰電池的雙電源技術(shù)方案，利用鋰電池的快速充電能力，配合可控的高效智能發(fā)電機(jī)，回收整車制動時由制動能轉(zhuǎn)化的電能，由鋰電池給相關(guān)電氣負(fù)載供電，從而達(dá)到降低整車油耗的目的。

1 雙電源系統(tǒng)技術(shù)方案

1.1 雙電源系統(tǒng)構(gòu)成

圖1示出整車雙電源系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。雙電源系統(tǒng)是在現(xiàn)有傳統(tǒng)車輛的整車供電系統(tǒng)中增加一個鋰電池供電電源，與傳統(tǒng)車輛的區(qū)別在于，在傳統(tǒng)車輛的基礎(chǔ)上將普通發(fā)電機(jī)更換為智能LIN調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)，增加電源管理模塊（PMM）以及用于制動能量回收使用的鋰電池包控制模塊，保留傳統(tǒng)車的普通鉛酸蓄電池。

圖1 整車雙電源系統(tǒng)構(gòu)成圖

發(fā)動機(jī)控制單元（ECU）采集曲軸位置傳感器信號、車速信號、空調(diào)狀態(tài)信號、水溫傳感器信號及電子油門踏板信號等確定整車運行狀態(tài)，與PMM通過CAN網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。ECU將車速信號及燃油切斷信號等整車狀態(tài)信號發(fā)送給PMM。

PMM集成電流傳感器，安裝在普通鉛酸蓄電池上，監(jiān)測鉛酸蓄電池的狀態(tài)以及接收鋰電池包的目標(biāo)電壓控制信號，通過LIN總線發(fā)送調(diào)整電壓等指令給智能發(fā)電機(jī)，由發(fā)電機(jī)實現(xiàn)給鋰電池包的智能充電控制，同時，智能發(fā)電機(jī)將發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)報告給PMM。由PMM通過LIN總線將鉛酸電池狀態(tài)發(fā)給鋰電池包控制模塊。鋰電池包控制模塊通過監(jiān)測鉛酸電池的狀態(tài)以及整車運行狀態(tài)，進(jìn)行半導(dǎo)體場效應(yīng)管/開關(guān)型整流器（MOS/SMR）驅(qū)動控制，給相關(guān)電氣負(fù)載供電，同時輸出鉛酸蓄電池目標(biāo)電壓信號給PMM。

1.2 整車制動能量回收原理[1]

汽車制動，即整車在外力作用下實現(xiàn)行駛中減速或停車、下坡時車速穩(wěn)定等功能。整車制動工況下的動能增量與制動器摩擦片產(chǎn)生的摩擦力、發(fā)動機(jī)倒拖阻力、空氣阻力、滾動阻力以及傳動系摩擦力所消耗的熱能相當(dāng)。

制動能量回收的原理是在減速制動工況下，將發(fā)電機(jī)工作所需的外力作為部分制動阻力，代替制動器的部分摩擦力用于整車制動，此時ECU實現(xiàn)發(fā)動機(jī)斷油的功能，PMM通過采集整車的相關(guān)工況信息，控制鋰電池包控制模塊的充放電功能，由鋰電池包實現(xiàn)制動能量的回收以及給電氣負(fù)載供電，合理分配供電情況，從而降低整車油耗。

圖2示出NEDC循環(huán)工況圖[2]。在NEDC循環(huán)工況下，市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)包括4個減速制動工況，即15 km/h→0，32 km/h→0，50 km/h→35 km/h，35 km/h→0；市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)包括2個減速制動工況，即70 km/h→50 km/h，120 km/h→0。

圖2NEDC循環(huán)工況圖

減速制動工況下整車的動能增量為：

式中：E——整車動能增量，J；

m——整車質(zhì)量，kg；

vt1，vt2——整車初、末速度，m/s。

發(fā)電機(jī)制動能量為：

式中：Eem——發(fā)電機(jī)制動能，J；

Eb——制動器制動能，J；

Ee——發(fā)動機(jī)倒拖制動能，J；

Eo——其他如空氣阻力、滾動阻力等能量，J。

整車油耗收益為：

式中：V——燃油體積，m3；

ηem——發(fā)電機(jī)效率；

ηbat，ηbato——電池充、放電效率；

ρ——燃油體積質(zhì)量，kg/m3；

U——燃油熱值，J/kg；

ηe——發(fā)動機(jī)熱效率。

1.3 各行駛工況下的控制

整車行駛的工況基本分為3種：停車工況；加速、勻速、怠速工況；制動減速工況。

1）在整車停車工況下，鋰電池包控制開關(guān)1閉合，同時控制開關(guān)2和開關(guān)3處于斷開，普通鉛酸蓄電池給電氣負(fù)載A和電氣負(fù)載B供應(yīng)暗電流，如圖3所示。

圖3 整車停車工況下供電原理圖

2）在整車加速、勻速或怠速工況下，如果鋰電池的電量充足，鋰電池包控制開關(guān)1和開關(guān)2斷開，同時控制開關(guān)3閉合，由普通鉛酸蓄電池或發(fā)電機(jī)給電氣負(fù)載A供電，由鋰電池包給電氣負(fù)載B供電，如圖4所示。

圖4 整車加速、勻速或怠速且鋰電池電量充足工況下供電原理圖

在整車加速、勻速或怠速工況下，如果鋰電池的電量不足時，鋰電池包控制開關(guān)1和開關(guān)3斷開，同時開關(guān)2閉合，由普通鉛酸蓄電池或發(fā)電機(jī)同時給電氣負(fù)載A和電氣負(fù)載B供電，如圖5所示。

圖5 整車加速、勻速或怠速且鋰電池電量不足工況下供電原理圖

3）在整車制動減速工況下，鋰電池包控制開關(guān)1斷開，同時開關(guān)2和開關(guān)3閉合，提高智能發(fā)電機(jī)的充電電壓，由發(fā)電機(jī)給鋰電池充電，同時給電氣負(fù)載A和電氣負(fù)載B供電，如圖6所示。

圖6 整車制動減速工況下供電原理圖

2 整車試驗驗證

為了驗證采用雙電源系統(tǒng)的整車相對于搭載單電源（普通鉛酸蓄電池）的整車在NEDC工況下的節(jié)油效果，在某臺整車上搭載了雙電源系統(tǒng)，設(shè)計上使用的連接到鋰電池包的電氣負(fù)載B包括EMS系統(tǒng)（點火、噴油及油泵等）、儀表及制動燈等負(fù)載。

2.1 整車主要參數(shù)

改裝整車的主要參數(shù)，如表1所示。

表1 改裝整車主要參數(shù)

2.2 試驗數(shù)據(jù)

首先，針對搭載單電池（普通鉛酸蓄電池）的傳統(tǒng)整車進(jìn)行NEDC循環(huán)工況試驗，單次試驗中采集的圖形，如圖7所示。經(jīng)過3輪NEDC綜合工況測試試驗，整車的平均油耗為5.4 L/100 km。

圖7 單電池整車試驗采集數(shù)據(jù)圖

其次，在傳統(tǒng)整車上搭載雙電源系統(tǒng)，配置相關(guān)ECU、PMM及鋰電池包控制模塊等，進(jìn)行NEDC循環(huán)工況試驗，單次試驗中采集的圖形，如圖8所示。經(jīng)過4輪NEDC綜合工況測試試驗，整車平均油耗為5.225 L/100 km。

圖8 搭載雙電源系統(tǒng)整車試驗采集數(shù)據(jù)圖

通過對比圖7和圖8得知：搭載雙電源系統(tǒng)的整車在減速過程中，通過提升智能發(fā)電機(jī)的充電電壓，將制動的部分能量進(jìn)行回收，從而節(jié)省燃油。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出：搭載雙電源系統(tǒng)的整車油耗降低率為（（5.4-5.225）/5.4）×100%=3.2%。

3 結(jié)論

在整車上搭載雙電源系統(tǒng)是一種新型的設(shè)計思路，通過在傳統(tǒng)車上增加一塊鋰電池包，利用制動能量回收的原理，在制動過程中通過提升智能發(fā)電機(jī)的充電電壓將制動能轉(zhuǎn)化成電能存儲到鋰電池包中，從而在一定工況下對電氣負(fù)載供電以節(jié)省燃油。試驗結(jié)果表明，搭載雙電源系統(tǒng)對于降低整車油耗具有明顯的效果。