木村誠(chéng) 秋山秀勝

0 前言

日產(chǎn)汽車(chē)公司全新開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力總成“e-POWER”系統(tǒng)于2016年配裝在小型轎車(chē)“NOTE”車(chē)型上，又于2018年配裝在廂式旅行車(chē)“SERENA”車(chē)型上。e-POWER除了具備傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)的良好燃油經(jīng)濟(jì)性外，同時(shí)由于僅采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可為客戶(hù)提供強(qiáng)勁的動(dòng)力性能和駕駛愉悅性[1]。

1 e-POWER系統(tǒng)的定位

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)安全的、可持續(xù)發(fā)展的交通環(huán)境，日產(chǎn)汽車(chē)公司正在將車(chē)輛的智能化與電驅(qū)動(dòng)化作為產(chǎn)品經(jīng)營(yíng)的核心技術(shù)(圖1)。這樣的技術(shù)開(kāi)發(fā)策略、經(jīng)營(yíng)理念將有助于提高技術(shù)的適應(yīng)性，同時(shí)能改善環(huán)境問(wèn)題，并相應(yīng)減少交通事故發(fā)生機(jī)率。目前汽車(chē)電動(dòng)化進(jìn)程已從僅在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上附加電動(dòng)化部件的水平，發(fā)展到由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最終目標(biāo)，即電動(dòng)汽車(chē)(EV)。本文所介紹的e-POWER，由于與EV共用動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，將對(duì)EV的正式普及與應(yīng)用發(fā)揮起到正面推動(dòng)作用[2]。

圖1 日產(chǎn)汽車(chē)公司技術(shù)開(kāi)發(fā)方案的2個(gè)方向

e-POWER系統(tǒng)最大限度地運(yùn)用了純電動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)電系統(tǒng)從動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中分離出來(lái)并作為機(jī)械裝置的技術(shù)(車(chē)輛的汽油機(jī)作為發(fā)電專(zhuān)用動(dòng)力裝置)有以下優(yōu)勢(shì)：快速、線性、順暢的加速體驗(yàn)；頂尖的燃油經(jīng)濟(jì)性能；與EV相近的靜音性；通過(guò)“e-POWER驅(qū)動(dòng)”即可獲得全新的駕駛體驗(yàn)。

2 e-POWER的概況

采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的e-POWER的最大特點(diǎn)在于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)從機(jī)構(gòu)上得以分離。圖2示出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 e-POWER系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置

e-POWER系統(tǒng)通過(guò)VCM進(jìn)行控制。VCM則與MC、GC、BMS及ECM相連接，通過(guò)最佳發(fā)電方式進(jìn)行能量管理與驅(qū)動(dòng)力控制。由于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具有與發(fā)電系統(tǒng)從機(jī)構(gòu)上得以分離的特點(diǎn)，通過(guò)與EV同樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式即可提供良好的行駛性能。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高效的工作點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，并力求改善燃油耗。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)能在有利于實(shí)現(xiàn)減振降噪的運(yùn)行區(qū)工作。圖3示出了e-POWER系統(tǒng)的外觀。表1列出其結(jié)構(gòu)部件的主要技術(shù)規(guī)格。發(fā)電系統(tǒng)是以配裝于NOTE車(chē)型上的HR12DE型發(fā)動(dòng)機(jī)為基本機(jī)型，由該機(jī)型與電動(dòng)發(fā)電機(jī)所組成。采用的動(dòng)力電池為鋰離子蓄電池。為實(shí)現(xiàn)快速的加速響應(yīng)，而采用了高功率的型號(hào)。

圖3 e-POWER外觀

表1 e-POWER系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格

當(dāng)其配裝于廂式旅行車(chē)(mini-Van)SERENA車(chē)時(shí)，可將電機(jī)轉(zhuǎn)矩提高26%，將最大輸出功率提高25%，確保其在廂式旅行車(chē)上使用時(shí)具有充裕的動(dòng)力性能。此外，隨著電機(jī)功率的不斷提高，將作為供電源的鋰離子蓄電池的功率提高20%，并從EV上體驗(yàn)到良好的加速響應(yīng)性(圖4)。而且，就廂式旅行車(chē)而言，即使多人乘車(chē)旅行，也要求可在整個(gè)速度區(qū)發(fā)揮良好的加速響應(yīng)性，除了使蓄電池容量增加22%外，作為發(fā)電專(zhuān)用的HR12DE型發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了與SERENA e-POWER車(chē)型的整合，通過(guò)使發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率提高7%，并使蓄電池達(dá)到完全充電的狀態(tài)(SOC)區(qū)域。

圖4 e-POWER系統(tǒng)的良好加速過(guò)程

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

e-POWER系統(tǒng)具備只由鋰離子蓄電池供電即可行駛的技術(shù)潛力。圖5的●和▲表示NOTE e-POWER車(chē)更具代表性的行駛工況。另外，在山區(qū)道路等區(qū)域進(jìn)行高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，則由電機(jī)實(shí)現(xiàn)供電行駛(圖5的◆所示)，通過(guò)結(jié)合蓄電池與電機(jī)的協(xié)同供電方式，可以實(shí)現(xiàn)與EV同樣強(qiáng)勁的加速效果。

圖5 能量消耗及產(chǎn)生功率的平衡

3.2 頂級(jí)水平的燃油經(jīng)濟(jì)性

e-POWER系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)并非通過(guò)機(jī)構(gòu)而是直接連接的，并且可任意選定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩。通過(guò)VCM運(yùn)算各部件的目標(biāo)值，以便有效運(yùn)用這些特征，在各項(xiàng)性能要求(動(dòng)力、駕駛性能、噪聲、振動(dòng)、排放、散熱、采暖、制動(dòng)負(fù)壓、零件保護(hù)、故障診斷等)的容許范圍內(nèi)具備最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，如圖6所示，在驅(qū)動(dòng)功率比最佳燃油耗點(diǎn)更低的情況下，用其剩余電力向蓄電池充電，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)功率較高時(shí)，通過(guò)由剩余電力供給的能量(A)和補(bǔ)充車(chē)輛加速時(shí)所需的能量(B)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)盡量接近車(chē)輛最佳燃油耗點(diǎn)，進(jìn)而使燃油耗降至最低。

圖6 能量管理的概念

其結(jié)果表明，NOTE e-POWER車(chē)與其他相似的車(chē)型相比，實(shí)現(xiàn)了在較高頻度下的最佳燃油耗工況點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)(圖7)。在SERENA e-POWER車(chē)上，擴(kuò)展了最佳燃油耗區(qū)，在低車(chē)速與中高車(chē)速工況下，不僅可運(yùn)用最佳的耗油率，還可劃分工作點(diǎn)區(qū)域以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行(圖8)。

圖7 實(shí)際燃油經(jīng)濟(jì)性的工作點(diǎn)(日產(chǎn)公司)

圖8 內(nèi)燃機(jī)工作點(diǎn)的分布

3.3 與EV相似的靜音性

為了實(shí)現(xiàn)與EV相似的靜音性，設(shè)定了EV行駛區(qū)，即僅使用鋰離子蓄電池供電即可行駛的區(qū)域。圖9表示SERENA e-POWER車(chē)的EV狀態(tài)行駛區(qū)。其涵蓋了日本市場(chǎng)上行駛頻度較高的中低速區(qū)，并且可擴(kuò)展到其他HEV的中低速行駛區(qū)。即使在高速區(qū)，鋰離子蓄電池SOC較高的情況下，也應(yīng)最大限度地持續(xù)以EV狀態(tài)行駛，而當(dāng)SOC有所降低時(shí)，在發(fā)電設(shè)計(jì)上應(yīng)做到與發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲相比，運(yùn)行更加安靜的技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)鋰離子蓄電池充電。

結(jié)果表明，參考市場(chǎng)上客戶(hù)通常用車(chē)方法為代表的行駛模式(包括在城區(qū)道路、小區(qū)公路、交通滯塞道路、高速公路等路況下行駛)中各個(gè)車(chē)速區(qū)的EV行駛時(shí)間所占的比例，NOTE e-POWER車(chē)占據(jù)約50%，SERENA e-POWER車(chē)占有約45%的份額，實(shí)現(xiàn)在中低速區(qū)域內(nèi)較高的EV工況行駛比例。

圖9 EV行駛區(qū)域達(dá)到的水平

4 提供新型駕駛體驗(yàn)的“e-POWER驅(qū)動(dòng)”

e-POWER系統(tǒng)可充分運(yùn)用只使用電機(jī)作為動(dòng)力源的技術(shù)特點(diǎn)，將制動(dòng)能量回收系統(tǒng)、坡道路段校正、抑制低摩擦因數(shù)(μ)道路滑移控制等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，設(shè)定了兼顧駕駛性與耗油率的良好運(yùn)行模式。并將該運(yùn)行模式稱(chēng)為“e-POWER驅(qū)動(dòng)方式”，以此滿(mǎn)足客戶(hù)的需求[3]。

從e-POWER的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)看，NOTE e-POWER車(chē)上只要操縱加速踏板，即可實(shí)現(xiàn)在90%左右的路況下的通用的行駛模式，堪稱(chēng)全新的駕駛方式。在此需要具備2種要素：設(shè)計(jì)在操縱加速踏板時(shí)由于減速而出現(xiàn)的滑行轉(zhuǎn)矩；便于控制車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的減速度。

關(guān)于滑行轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)，通過(guò)有效地運(yùn)用作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)自由度，如圖10所示，能涵蓋90%以上的路況下行駛所需的制動(dòng)減速度，其結(jié)果表明，只需操縱加速踏板，即可實(shí)現(xiàn)有效減速，并可緩解減速時(shí)踩踏制動(dòng)踏板的操作。

圖10 e-POWER驅(qū)動(dòng)的實(shí)際減速頻率與制動(dòng)減速度的特征

關(guān)于減速度的可控制性，采用加速踏板操縱以實(shí)現(xiàn)減速時(shí)，根據(jù)駕駛員操縱過(guò)程的分析結(jié)果，著眼于以下3種形式的減速：在跟隨前方車(chē)輛行駛時(shí)，通過(guò)操縱(加速踏板)以產(chǎn)生微小減速；在交叉點(diǎn)停車(chē)等使用膝部操縱產(chǎn)生的減速；與前方車(chē)輛的車(chē)距較小時(shí)，通過(guò)停止踩踏加速踏板以實(shí)現(xiàn)減速。組合上述操縱方式并獲得駕駛員所需的減速度，如圖11所示，e-POWER驅(qū)動(dòng)僅通過(guò)加速踏板進(jìn)行操縱，并以此實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速度的可控性。

圖11 減速分布圖

5 增強(qiáng)e-POWER系統(tǒng)EV行駛的習(xí)慣駕駛模式及充電模式

作為SERENA e-POWER車(chē)上的充滿(mǎn)潛力的功能，通常采用習(xí)慣駕駛模式及充電模式。e-POWER系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)并非通過(guò)機(jī)構(gòu)而是直接連接，所以可不按行駛狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自行發(fā)電。e-POWER系統(tǒng)是僅通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力總成系統(tǒng)，因?yàn)槔冒l(fā)動(dòng)機(jī)在盡可能最佳的燃油耗工況點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電，所以采用具有較大容量的蓄電池。充分利用該特點(diǎn)，駕駛員可以不根據(jù)行駛狀態(tài)，按照任意時(shí)間對(duì)蓄電池進(jìn)行強(qiáng)制充電，就能使發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)蓄電池儲(chǔ)存的電能實(shí)現(xiàn)靜音行駛。當(dāng)習(xí)慣駕駛模式無(wú)法維持EV行駛的情況下(蓄電池SOC較低，或進(jìn)行適度暖機(jī)時(shí))，設(shè)定了即便用戶(hù)按下習(xí)慣駕駛模式鍵，該模式也不會(huì)運(yùn)作。

圖12示出了習(xí)慣駕駛模式的評(píng)價(jià)結(jié)果。這種評(píng)價(jià)并非與車(chē)輛狀態(tài)一致，而是在各種各樣的行駛狀態(tài)中采用習(xí)慣駕駛模式，進(jìn)而評(píng)價(jià)EV的行駛時(shí)間與路程。e-POWER系統(tǒng)的所有測(cè)試數(shù)據(jù)表明其可實(shí)現(xiàn)350 m以上或者1 min以上的EV行駛狀態(tài)，80%的數(shù)據(jù)表明其可實(shí)現(xiàn)3 min以上的EV行駛狀態(tài)。如果符合條件，最大可以實(shí)現(xiàn)距離約6 km，或時(shí)長(zhǎng)11 min左右的EV行駛狀態(tài)。這是傳統(tǒng)HEV所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，可為用戶(hù)提供HEV的全新價(jià)值，即用戶(hù)通過(guò)精心操作，可長(zhǎng)時(shí)間體驗(yàn)以往由純電動(dòng)車(chē)(BEV)提供的靜音行駛性能。

圖12 習(xí)慣駕駛模式所達(dá)到的技術(shù)水平

6 結(jié)語(yǔ)

日產(chǎn)汽車(chē)公司重點(diǎn)關(guān)注了EV由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)，為眾多客戶(hù)提供了具有良好行駛性能的車(chē)型，為此開(kāi)發(fā)了動(dòng)力總成e-POWER，并將其配裝到了全新的NOTE、SERENA車(chē)型上。因此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有與日產(chǎn)公司LEAF車(chē)型相同的控制體系，共享了電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及相關(guān)零部件。此外，利用e-POWER驅(qū)動(dòng)的行駛模式，只需操縱加速踏板，就能輕易地進(jìn)行車(chē)輛的加速及減速控制，實(shí)現(xiàn)了全新的駕駛體驗(yàn)。而且，在SERENA e-POWER車(chē)型上，設(shè)定了全新的習(xí)慣駕駛模式，用戶(hù)僅通過(guò)按鍵操作，即可以進(jìn)行EV狀態(tài)行駛。