48V助力回收系統輪系可靠性試驗研究

王建武，潘圣臨，曹權佐，王宏敏，孫云龍

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

引言

隨著我國對排放、油耗等要求的日益嚴格，搭載混合動力技術的汽車得到了大力的發展及應用。最常見的混合動力汽車是同時帶有內燃機和電動機兩種能量轉換裝置的車輛，通過對其動力部件進行不同組合的配置，可以滿足不同的使用用途。本文通過對一種48V助力回收系統輪系可靠性試驗方案進行臺架試驗驗證，為后續48V助力回收系統的研究提供試驗依據。

1 48V助力回收系統介紹

混合動力汽車有多種動力部件，它們可以進行不同的組合配置，應用于各種使用場合滿足不同的用途。混合動力系統的分類，如圖1所示。

圖1 混合動力系統的分類

48V助力回收系統作為微混技術的一種，屬于P0架構，如圖2所示，其系統主要包括BSG電機、電機控制器、DCDC轉換器、超級電容或鋰離子電池等，可以適配 MT、AMT、AT等變速器。

搭載48V助力回收系統的車型較傳統車型，電氣化低成本，易于集成，起停舒適，助力改善駕駛性，提高車輛起步性能等，且搭載 48V助力回收系統的動力系統節油率達到9-12%。根據搭載48V助力回收系統汽車的結構和工作特性，該類混合動力汽車有4種基本工作模式：起動工況、減速工況、加速工況、正常行駛工況。

圖2 48V助力回收系統

2 DV試驗驗證

DV試驗主要驗證由于增加負載變化引起的硬件變化帶來的影響，根據混動工作系統特點，電機在100%負荷輸出、50%負荷輸出、不介入發動機工作這三種狀態下對發動機扭振水平的影響進行評估，結果如下。

2.1 升速、降速工況

發動機扭振試驗工況為發動機全負荷 wot升速、1000-5500rpm，發動機全負荷減速、5500-1000rpm。電機的工況為 100%負荷輸出、50%負荷輸出、電機不介入工作。在電機三種工作狀態下，發動機2階扭振曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 升速工況下發動機2階扭振曲線對比

圖4 降速工況下發動機2階扭振曲線對比

從試驗結果可知，電機100%負荷輸出、電機50%負荷輸出、電機不介入發動機工作這三種狀態下，發動機扭振滿足要求，混動工況對發動機扭振影響小。升速工況和降速工況結果一致。

2.2 發動機扭振colormap圖

各階次亮線明顯，在2階4525-4850rpm紅色亮帶顯著，與overall圖上4800rpm左右起峰值相對應，無NVH問題。

圖5 發動機扭振colormap圖

2.3 混動4G15T發動機與原4G15T發動機扭振水平對比

混動4G15T發動機扭振水平與原4G15T發動機扭振水平基本接近。設計符合要求。

圖6 混動4G15T發動機與原4G15T發動機扭振水平對比

綜上所述，搭載48V BSG電機的混動4G15T發動機輪系設計合理，扭振水平符合設計要求。

3 耐久試驗方案

3.1 發動機及電機主要參數

試驗用48V助力回收系統部件的主要參數，如表1所示。

表1 48V助力回收系統部件的主要參數

3.2 試驗方案

3.2.1 實現功能

根據搭載48V助力回收系統的混合動力汽車的4種基本工作模式，起動工況、減速工況、加速工況、正常行駛工況，設計BSG電機在其基本工作模式下的功能包括起停功能、加速助力功能、制動能量回收功能、傳統發電機功能，綜合主要零部件的影響可靠性指標，制定48V助力回收系統輪系的可靠性工況，滿足整車20完公里可靠性要求。

3.2.2 試驗工況

為了達到48V助力回收系統考核目的，需要專門設計專項的循環試驗工況，工況涉及以下幾個方面。

（1）確認耐久時間

若按照真實工況進行試驗，進行20萬公里，與真實情況更貼近，但可靠性周期長，不利于產品開發，若采用高在和工況考核，周期短，但也不能完全體現零件的考核要求，所以在進行耐久時間確認上，需要綜合可靠性工況、可靠性試驗周期兩方面考慮。

（2）工況設計

混動輪系與4G15T原機對比，主要變化使由于BSG電機參與引起的變化，因此輪系耐久工況需要包括有啟停、發電、助力和能量回收工況，根據CAE仿真數據分析結果，需要綜合考慮最大載荷（最大扭矩）要求，耐久時間考慮最大功率要求。

根據混動工況特點，工作特性，選取典型工作點進行可靠性考核工況節點，共計設計方案如下表所示：

表2 輪系可靠性及耐久時間方案設計

方案一、方案二、方案三由于考核時間太長，不建議采用；方案四使用發動機工況，時間較長且在可靠性實際過程中，需要停機時間較長，不建議采用；方案六考核時間負荷要求，考核程度大，但由于與工況法比例不一致，不建議采用。方案五與實際工況較接近，考核時間基本負荷要求，能夠覆蓋水泵及水泵皮帶輪載荷變化帶來的考核需求；滿足BSG電機、雙向張緊器考核需求；對于皮帶，存在電機順時針、逆時針兩個方向的扭矩考核，滿足考核要求。所以以方案五為基礎，進行可靠性工況的優化。

表3 臺架可靠性試驗工況循環

搭載48V BSG電機的臺架可靠性試驗工況循環中，方案五中每個循環工況中包含3次加速助力工況，1次怠速啟停工況，3次能量回收工況以及3個正常穩定工況等模擬整車車載工況來考核48V助力回收系統功能及可靠性性能，能夠實現48V助力回收系統基本功能考核目的。試驗工況循環步數如表3所示。

表中工況通過臺架模擬，符合臺架運行要求，故采用此工況進行考核。

BSG電機、發動機工況示意圖，如圖7、圖8所示。

圖7 臺架試驗中電機加載扭矩曲線圖

圖8 臺架試驗中發動機 轉速曲線圖

3.3 評價標準

（1）混動發動機輪系評價標準，試驗前后對輪系相關零件進行拍照和分析，是否存在異響、損壞等情況。

（2）性能復試中，外特性曲線下最大凈功率、最大凈扭矩、最低燃油消耗率劣化下降均不得超過初試值的5%。

（3）性能復試中，機油燃油消耗百分比不得超過0.2%。

（4）性能復試中，最大活塞漏氣量不得大于 GB/T 19055-2003的限值要求。

3.4 試驗結果

通過搭載48V BSG電機進行臺架試驗，臺架搭載如圖9、圖10所示。

圖9 安裝48V BSG電機的發動機臺架

圖10 動力總成試驗臺架

4 結論

通過將48V助力回收系統輪系作為研究對象，對其進行可靠性試驗方案設計，并進行了臺架試驗驗證，為我司48V助力回收系統輪系可靠性試驗提供了一種如何評價可靠性的試驗思路。