48 V皮帶式啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)開發(fā)

汪若英，席安靜

（上海法雷奧汽車電器系統(tǒng)有限公司，上海 201203）

1 背景介紹

中國(guó)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 （2012-2020）》明確規(guī)定，2020年燃油乘用車平均油耗應(yīng)在5.0 L／100 km，對(duì)應(yīng)二氧化碳排放約為120g／km，節(jié)能型汽車在4.5L／100km。歐盟要求2020年乘用車平均油耗降低至4 L／100 km左右，CO2排放量降至95 g／km；美國(guó)要求2025年輕型汽車的平均油耗達(dá)到4.3 L／100km左右；日本提出了至2020年乘用車平均燃料經(jīng)濟(jì)性水平達(dá)到4.9 L／100km。隨著油耗和排放法律法規(guī)的日益嚴(yán)苛，世界上所有整車廠和零部件供應(yīng)商都在尋找能夠滿足法規(guī)要求的動(dòng)力總成解決方案。

2017年9月，工信部等五部委聯(lián)合公布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，通過積分的形式來引導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)燃油車燃料消耗階段目標(biāo)值，促進(jìn)發(fā)展新能源車型。2016年10月，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)上，《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》發(fā)布，“48 V系統(tǒng)開發(fā)”是節(jié)能汽車技術(shù)之一。由于這項(xiàng)技術(shù)具有安全性高、技術(shù)成本增加低、有較高節(jié)油率的特點(diǎn)，根據(jù)HIS Markit的相關(guān)預(yù)測(cè)，2025年時(shí)搭載48 V弱混系統(tǒng)的車輛將會(huì)達(dá)到17.9%，2030年這一數(shù)字將會(huì)達(dá)到36.2%。

48 V電氣系統(tǒng)與12 V或高壓電氣系統(tǒng)相比，具備以下優(yōu)勢(shì)。

1）相比于300 V高壓系統(tǒng)，48 V系統(tǒng)電壓更安全。60 V屬于安全極限電壓限值，是高壓絕緣隔離要求的安全限度。高于此電壓限值，汽車設(shè)計(jì)需要著重考慮車內(nèi)乘客的安全性問題，指定相關(guān)安全措施來保護(hù)乘客避免受到傷害，因此其開發(fā)的復(fù)雜程度和開發(fā)成本會(huì)大幅度提高。VDA320標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了48 V系統(tǒng)的最大直流電壓幅值為54 V，符合安全電壓范圍，對(duì)車內(nèi)乘客不會(huì)造成人身傷害。

2）技術(shù)成本增加低。48 V系統(tǒng)沒有完全摒棄車載12 V電氣系統(tǒng)，利用48 V皮帶式起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)代替原有12 V傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，同時(shí)增加了獨(dú)立48 V電氣網(wǎng)絡(luò)，原有車載電氣網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)使用，整車改動(dòng)小，開發(fā)成本增加較低。

3）實(shí)現(xiàn)更好的娛樂和舒適性。隨著人類對(duì)汽車車載娛樂及舒適需求的不斷增加，車內(nèi)娛樂和信息系統(tǒng)的不斷進(jìn)化，車載用電設(shè)備的數(shù)量及其功率消耗必定會(huì)大幅度增加。相比于傳統(tǒng)12 V電壓供電，48 V系統(tǒng)可以提供更高的電壓等級(jí)及功率輸出，因此車載高功率需求的用電設(shè)備將會(huì)逐步使用48 V供電，這些系統(tǒng)包括加熱系統(tǒng)，如座椅加熱、前后擋風(fēng)玻璃除霜器及鼓風(fēng)機(jī)等；制冷系統(tǒng)，如空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇等；供給系統(tǒng)，如水泵和燃油泵等；輔助駕駛系統(tǒng)，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主動(dòng)式懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前后擋風(fēng)玻璃雨刮等。利用48 V系統(tǒng)可在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)以上設(shè)備保持正常使用，這是傳統(tǒng)12 V電氣系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的功能優(yōu)勢(shì)。

48 V皮帶式啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)作為48 V系統(tǒng)中最為核心的零部件，需要滿足電機(jī)與控制器一體化集成設(shè)計(jì)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙惡劣環(huán)境等多重設(shè)計(jì)約束。下文詳細(xì)介紹法雷奧汽車電器有限公司開發(fā)的啟發(fā)電一體機(jī)的電機(jī)及控制器結(jié)構(gòu)及功能。

2 48 V系統(tǒng)分類及組成

圖1 混動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

P0架構(gòu)的48 V系統(tǒng)一般包括48 V鋰電池，48 V-12 V DCDC轉(zhuǎn)換器，48 V皮帶式啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)和整車控制系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)12 V整車電氣架構(gòu)，取消了原有的12 V交流發(fā)電機(jī)。如圖2所示。

圖2 48 V系統(tǒng)電氣網(wǎng)絡(luò)組成

3 結(jié)構(gòu)及功能

48 V啟發(fā)電一體機(jī)的電機(jī)部分包含兩個(gè)最基本的組件：爪極式混合勵(lì)磁同步電機(jī)本體，集成功率電子和軟、硬件控制功能的控制器。如圖3所示。

圖3 48 V啟發(fā)電一體機(jī)示意圖

如圖4所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子包含了轉(zhuǎn)子軸，前后爪極，風(fēng)葉，集電環(huán)，前、后軸承，稀土磁條以及轉(zhuǎn)子線圈。

如圖1所示，按照電機(jī)安裝位置的不同，48 V系統(tǒng)可以分為與發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶輪連接的P0架構(gòu)；置于變速器之前，與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連的P1架構(gòu)；置于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間的P2架構(gòu)；置于變速器輸出端的P3架構(gòu)；以及用于后橋驅(qū)動(dòng)的P4架構(gòu)。

圖4 轉(zhuǎn)子總成

如圖5所示，電機(jī)定子為雙三相結(jié)構(gòu)，采用扁銅線繞線式工藝，可大幅提高定子槽滿率和銅線的利用率，降低銅線用量，提高電機(jī)效率。

圖5 定子總成

表1 電機(jī)參數(shù)及性能數(shù)據(jù)

表1為電機(jī)相關(guān)參數(shù)及性能數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中可以看出，在有限的空間下，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了較高性能的輸出。

電機(jī)控制器主要用來精確控制電機(jī)，根據(jù)上層控制器的需求，輸出所需的扭矩、轉(zhuǎn)速和電壓，同時(shí)在遇到故障情況時(shí)，能夠保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。圖6為控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。

電機(jī)控制器的硬件主要包括以下幾個(gè)組成部分：包含MOSFET功率模塊可實(shí)現(xiàn)雙向整流、逆變功能的功率電路；控制勵(lì)磁電流同時(shí)具備快速退磁功能的勵(lì)磁電路；傳導(dǎo)和釋放控制器熱量的散熱器；直流側(cè)用以降低交流脈動(dòng)紋波系數(shù)，提升高效平滑直流輸出的濾波電容模塊；位置傳感器；包含單片機(jī)，用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、發(fā)電以及扭矩控制功能的控制電路。

功率電路包括雙三相功率電橋和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電橋，其主要目的是實(shí)時(shí)響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)直流交流的雙向高效轉(zhuǎn)換。電路的主要組成部分有：包含低導(dǎo)通電阻MOSFET的雙向全橋電路，供轉(zhuǎn)子電流且具有自我保護(hù)功能的MOSFET橋式電路，用以測(cè)量功率電路溫度的測(cè)量機(jī)診斷保護(hù)電路。

圖6 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

控制電路主要用來采集上層控制器發(fā)出的控制信號(hào)，如圖6所示控制板主要包括電源調(diào)理電路，多核單片機(jī)，CAN通訊收發(fā)電路，電壓、溫度、電流采集電路，以及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路等。根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的模式請(qǐng)求，控制電路通過矢量控制驅(qū)動(dòng)雙三相功率單元，從而使得助力和發(fā)電扭矩得以實(shí)時(shí)控制。

電機(jī)控制器的軟件開發(fā)完全按照AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)以下功能。

1） 自動(dòng)啟停 （START／STOP） 紅綠燈車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，整車控制器將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，而在采集到駕駛員的前進(jìn)意圖時(shí)，整車控制器將會(huì)控制啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)利用在48 V鋰電池中存儲(chǔ)的能量，將發(fā)動(dòng)機(jī)快速平穩(wěn)地啟動(dòng)。電機(jī)最大輸出55 Nm的正扭矩啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過合理的標(biāo)定，啟動(dòng)時(shí)間在300 ms以內(nèi)迅速完成。

2）動(dòng)力輔助 （BOOST） 由于48 V皮帶式啟發(fā)一體機(jī)可以將鋰電池中電能轉(zhuǎn)化為助力整車加速的機(jī)械能，因此在整車提速階段，電機(jī)的輔助動(dòng)力能彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的不足，實(shí)現(xiàn)不損失動(dòng)力的情況下有效降低排放。

3）能量回收 （RECUPERATION） 能量回收可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在整車制動(dòng)或者正常運(yùn)行工況下，電機(jī)將負(fù)扭矩下的電能整流并存儲(chǔ)到鋰電池中，同時(shí)可以提供車載電子負(fù)載所需的電能。

4） 滑行 （SAILING／ACTIVE ENGINE-OFF COASTING） 在車輛恒速運(yùn)行并且電池電量充足的情況下，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)，依靠電機(jī)來維持車輛運(yùn)行。電機(jī)提供的動(dòng)力用來抵消行駛阻力以及發(fā)動(dòng)機(jī)的拖拽阻力。當(dāng)再次踩下油門踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)迅速啟動(dòng)，平滑切入到當(dāng)前車速。

5） 輔助停機(jī) （ENGINE STOP ASSISTANT） 當(dāng)整車減速停車時(shí)，可通過輔助停機(jī)功能將電池電能轉(zhuǎn)換為制動(dòng)扭矩，電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速、舒適停機(jī)。

6）主動(dòng)放電功能 （DISCHARGE） 整車下電前，可使用主動(dòng)放電功能迅速降低48 V皮帶式起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)直流側(cè)電壓，確保整車安全下電。

7）故障診斷 （DIAGNOSTIC） 為了確保電機(jī)在出現(xiàn)故障時(shí)能夠很好地保護(hù)自身及系統(tǒng)，48 V皮帶式起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)具備故障管理、在線故障檢測(cè)、存儲(chǔ)及故障上傳等功能，包含相關(guān)的電路診斷，合理性診斷，比如過壓、過流、過熱及輸入傳感器和輸出執(zhí)行器的故障診斷。發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)將會(huì)通過在勵(lì)磁回路實(shí)現(xiàn)快速退磁，同時(shí)打開功率側(cè)的所有MOSFET，迅速進(jìn)入安全狀態(tài)。

通過實(shí)車測(cè)試，48 V起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)的最大效率可以達(dá)到85%，搭載該電機(jī)的整車在NEDC工況下節(jié)油率達(dá)到10%～15%。

4 總結(jié)

48 V系統(tǒng)具有安全性高，整車開發(fā)追加成本低，實(shí)現(xiàn)更好的娛樂和舒適性的優(yōu)點(diǎn)，值得大力推廣。