48 V-BSG混合動(dòng)力系統(tǒng)研究

張秋新，祖潤(rùn)青

（無(wú)錫英捷汽車科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

由于城市汽車保有量的增加，隨之帶來(lái)的燃油消耗和尾氣排放問題日益成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排而采用混合動(dòng)力技術(shù)成為未來(lái)汽車發(fā)展方向的關(guān)鍵。

混合動(dòng)力汽車 （HEV）以先進(jìn)的控制技術(shù)為紐帶，是傳統(tǒng)燃油汽車與純電動(dòng)汽車的一種過渡性車型，其關(guān)鍵技術(shù)涵蓋機(jī)電工程、電力電子、電化學(xué)、控制工程、汽車電子和車輛工程等多學(xué)科，混合動(dòng)力汽車將內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)與一定容量的蓄電池通過控制系統(tǒng)相組合，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)起停、電動(dòng)助力、滑行、制動(dòng)能量回收等功能。BSG（皮帶傳動(dòng)一體化起動(dòng)／發(fā)電機(jī)）作為混合動(dòng)力汽車的一種形式，CO2可降低8～20 g／km，整車油耗降低10%～15%，駕駛性和車輛NVH性能明顯改善。

1 混合動(dòng)力分類

1）按“混合程度”進(jìn)行劃分，見表1。

2）按“動(dòng)力及傳遞方式”進(jìn)行劃分，見表2。

3）按“電機(jī)布置位置”進(jìn)行劃分，見表3，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

表1 按 “混合程度”分類

表2 按 “動(dòng)力及傳遞方式”分類

圖1 串聯(lián)式

圖2 并聯(lián)式

圖3 混聯(lián)式

圖4 電機(jī)布置位置

表3 按 “電機(jī)布置位置”進(jìn)行劃分

2 48 V-BSG系統(tǒng)物理架構(gòu)及工作原理

48 V-BSG系統(tǒng)就是以BSG電機(jī)為基礎(chǔ)具有起動(dòng)、發(fā)電、助力和能量回收等功能的混動(dòng)系統(tǒng)，BSG電機(jī)一般布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的前端，所以對(duì)于單獨(dú)搭載該技術(shù)的混動(dòng)車也稱之為P0結(jié)構(gòu)。48 V-BSG混合動(dòng)力物理架構(gòu)如圖5所示，與傳統(tǒng)車的區(qū)別在于：發(fā)電機(jī)改成了48 V-BSG電機(jī)，增加了DC／DC和動(dòng)力電池，從而實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力控制。該混合動(dòng)力系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)車上的12 V起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以保證溫度過低時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)。

圖5 48V-BSG物理架構(gòu)

48 V-BSG系統(tǒng)基本功能如下。

1）起停發(fā)動(dòng)機(jī)：要求BSG系統(tǒng)汽車在等待紅燈或者堵車等情況下暫停發(fā)動(dòng)機(jī)工作，當(dāng)車輛感受到駕駛員的起步意圖時(shí)，快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。BSG系統(tǒng)比傳統(tǒng)的起停系統(tǒng)具有更好的舒適性、更短的起動(dòng)時(shí)間、更低的震動(dòng)和噪聲。

2）助力：當(dāng)駕駛員需求扭矩超出發(fā)動(dòng)機(jī)可提供的上限時(shí)，BSG電機(jī)提供額外的加速助力扭矩／功率。

3）能量回收：當(dāng)駕駛員制動(dòng)車輛時(shí)，BSG電機(jī)通過制動(dòng)能量發(fā)電給蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)能量回收；滑行時(shí)，同樣也能實(shí)現(xiàn)能量回收。

4）發(fā)電：BSG作為48 V發(fā)電機(jī)，對(duì)48 V動(dòng)力電池充電以及通過DC／DC給12 V低壓蓄電池充電，保持整車電網(wǎng)的能量平衡。

5）工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移：在電池電量合適時(shí)，BSG電機(jī)通過附加電動(dòng)或發(fā)電扭矩，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)使其工作在較為高效的區(qū)域。

3 48 V-BSG系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)

BSG混合動(dòng)力轎車以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，電機(jī)系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下不工作。根據(jù)現(xiàn)有條件，經(jīng)計(jì)算分析后選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)為某型1.5 T汽油機(jī)，其最大功率為77 kW（6000 r／min），最大扭矩為147 Nm （4300 r／min）。

3.1 BSG電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

BSG電機(jī)一方面作為電動(dòng)機(jī)快速拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到怠速以上轉(zhuǎn)速，另一方面作為發(fā)電機(jī)給蓄電池充電。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)和BSG電機(jī)停止工作；需要起步時(shí)，BSG電機(jī)快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停；正常行駛工況下，BSG電機(jī)和常規(guī)車用發(fā)電機(jī)一樣由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電，給蓄電池充電。當(dāng)BSG電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速起動(dòng)時(shí)，要求電機(jī)在較高轉(zhuǎn)速時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)矩，其功率P需滿足起動(dòng)功率P1和拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到怠速以上轉(zhuǎn)速 （設(shè)計(jì)參數(shù)為1100 r／min）時(shí)所需功率P2的要求，計(jì)算公式如下。

式中：MQ——發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)阻力矩；NQ——最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速；I——發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω——相對(duì)于怠速以上轉(zhuǎn)速時(shí)的曲軸角速度；Δt——發(fā)動(dòng)機(jī)從起動(dòng)到怠速以上轉(zhuǎn)速所需時(shí)間 （設(shè)計(jì)參數(shù)為0.1 s）。

MQ由經(jīng)驗(yàn)公式MQ=CL求取，其中，C為不同發(fā)動(dòng)機(jī)的系數(shù)；L為發(fā)動(dòng)機(jī)排量；I為常數(shù)。由此電機(jī)的額定功率P可確定。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n由公式n≥9550PMQ確定。

經(jīng)計(jì)算可知，所設(shè)計(jì)的電機(jī)額定功率為4 kW （峰值功率為11.5 kW），額定轉(zhuǎn)速為3600 r／min（最高轉(zhuǎn)速為18000 r／min）。其轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性

3.2 DC／DC參數(shù)設(shè)計(jì)

1）整車電功率計(jì)算：整車電功率是進(jìn)行DC／DC選型的重要依據(jù)，整車實(shí)際用電功率、電流公式如下。

式中：K——冗余系數(shù)；P——整車電器實(shí)際功率，W；I——整車電器實(shí)際電流，A；a——使用頻度系數(shù)。

2）DC／DC選用原則：①DC／DC輸出功率大于冬季雪夜、夏季雨夜最大負(fù)荷 （一般取為110%～130%）；②DC／DC峰值功率不小于其額定功率的1.2倍，峰值持續(xù)時(shí)間不小于6min。

根據(jù)上述，計(jì)算后的DC／DC輸出功率3 kW，其參數(shù)如表4所示。

3.3 48 V電池包參數(shù)設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)最大輸出功率與電流確定。根據(jù)確定的電機(jī)功率，電源系統(tǒng)需求最大功率為

表4 DC／DC參數(shù)

式中：Pper——電機(jī)額定功率，kW；ηc——電機(jī)轉(zhuǎn)換效率，這里取0.9；ηm——控制器效率，這里取0.95。經(jīng)計(jì)算得出電源系統(tǒng)需求最大功率為11.5 kW。系統(tǒng)輸出最大電流如下。

式中：U——額定電壓，V；α——設(shè)計(jì)冗余系數(shù)，通常選擇1.3；β——額定電壓下降系數(shù)，這里取10%。電源系統(tǒng)電量的確定：根據(jù)最大輸出電流、輸出電壓和持續(xù)放電時(shí)間計(jì)算得出：

式中：U——額定電壓，V；T——BSG電機(jī)單次助力持續(xù)工作時(shí)間，s；N——BSG電機(jī)助力次數(shù)。經(jīng)與供應(yīng)商CATL確定，選取平臺(tái)化電池包，最大可用電量468 Wh。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）動(dòng)力性能試驗(yàn)

根據(jù)GB／T12545-90《汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法》和GB11642-89《輕型汽車排氣污染物測(cè)量方法》的要求，在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上按照典型循環(huán)行駛試驗(yàn)工況模擬實(shí)際汽車運(yùn)行狀況進(jìn)行油耗測(cè)量和排放污染物檢測(cè)。

按NEDC工況連續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，48 V-BSG系統(tǒng)燃油消耗為6.89 L／100 km，比SSM系統(tǒng)的7.85 L／100 km下降了12%，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性明顯提高；CO2排放由172.7 g／km降低到159.7 g／km，排放物改善明顯。

表5 油耗、CO2試驗(yàn)結(jié)果

2）噪聲和震動(dòng)對(duì)比

根據(jù)GB 1495-2002《加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》和GB／T 13860-1992《地面車輛機(jī)械振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的表述方法》的要求，在專用試驗(yàn)測(cè)量場(chǎng)地進(jìn)行48V-BSG系統(tǒng)與傳統(tǒng)車系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 在專用試驗(yàn)測(cè)量場(chǎng)地進(jìn)行48V-BSG系統(tǒng)與傳統(tǒng)車系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)

從圖7可以看出，采用48V-BSG比SSM起停系統(tǒng)具有更低的震動(dòng)和噪聲，具有更好的舒適性。