基于48V電機的P2.5混動系統(tǒng)

晏成洋 林霄喆 王瑞平，

（1.寧波上中下自動變速器有限公司；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司）

隨著環(huán)境保護問題的日益嚴峻、油耗與排放法規(guī)的加嚴，以及因汽車保有量增加而導致石油消耗的日益升高，發(fā)展新能源汽車已成為汽車行業(yè)共同的選擇。新能源汽車是未來汽車產(chǎn)業(yè)的走向，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的燃油汽車向新能源汽車的轉(zhuǎn)型也是當前世界各大車企面臨的考驗與機遇[1-3]。采用電機代替發(fā)動機，在控制器的作用下，將電能轉(zhuǎn)化為機械能來驅(qū)動汽車是新能源汽車的作用機理。新能源汽車主要包括：燃料電池、純電動及混合動力汽車。其中，混合動力汽車又分為串聯(lián)式混動汽車和并聯(lián)式混動汽車。在串聯(lián)式混動汽車中，電機作為主要驅(qū)動源；在并聯(lián)式混動汽車中，電機作為輔助驅(qū)動源[4]。文章將著重介紹一種基于48V電機的并聯(lián)式中混系統(tǒng)P2.5。

1 新能源汽車混動構型介紹

對于混合動力而言，根據(jù)電機的位置可以將混動方案分為P0，P1，P2，P2.5，P3，P4。混動構型，如圖1所示，其中P 代表電機的位置（Position）。

圖1 新能源汽車的混動構型示意圖

P0電機BSG（皮帶傳動啟動/發(fā)電一體化電機）位于發(fā)動機前端皮帶上，通過皮帶和發(fā)動機曲軸相連。當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，可由曲軸帶動BSG 發(fā)電，一般適用于自動啟停、微混和48V 弱混電機。

P1電機ISG（盤式啟動/發(fā)電一體化電機）固定在發(fā)動機上，發(fā)動機的曲軸作為ISG 的轉(zhuǎn)子，可以實現(xiàn)啟停、制動能量回收發(fā)電等作用。由于P1 和發(fā)動機曲軸直接相連，無法實現(xiàn)純電驅(qū)動車輪，且在能量回收的同時也需要帶動曲軸空轉(zhuǎn)，造成動能的損失。

P2電機位于發(fā)動機與變速箱之間，可以采用減速齒輪、帶傳動等多種方式與變速箱輸入軸連接。P2的動力傳輸路徑為：發(fā)動機—離合器—P2 電機—離合器—變速箱—差速器—車輪。通過控制2 個離合器的開閉，P2 系統(tǒng)可以實現(xiàn)純電驅(qū)動。

P3電機位于變速箱末端，與車軸相連，可以實現(xiàn)純電驅(qū)動和能量回收的功能。

P4電機的布局和P3 類似，將電機放在了驅(qū)動橋上，一般直接用來驅(qū)動后車輪，適用于插電混動系統(tǒng)。

所謂的P2.5 就是介于P2 和P3 之間的一種模式：電機可以布置在變速箱內(nèi)部，一般將電機集成到偶數(shù)擋位上，這樣的布置方式對變速箱結構的改動較大；電機也可以布置在變速箱上，通過鏈輪、齒輪組將電機與變速箱偶數(shù)擋位連接在一起，這樣的布置對變速箱改動較小。相對于P2 而言，因有離合器控制發(fā)動機和變速器之間的動力傳遞，在進行混動驅(qū)動、動力融合時，會變得比較順暢。

2 基于48V電機的P2.5混動系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

基于48V電機的P2.5混動系統(tǒng)架構，如圖2所示。該系統(tǒng)可實現(xiàn)：起動功能、高效發(fā)電功能、能量制動回收功能、電機輔助發(fā)動機驅(qū)動功能以及純電驅(qū)動功能等[5]。

圖2 基于48V電機的P2.5混動系統(tǒng)架構

2.2 48V混動電機的優(yōu)勢

48V 電機為雙三相永磁同步電機，且逆變器與電機本體集成在一起。相對于高壓混動系統(tǒng)（電池電壓大于100 V）而言，48V 系統(tǒng)低于60 V 安全電壓，不需要采用額外的高壓防護措施，因此成本更低。此外，相對于12 V 系統(tǒng)，在功率相同的情況下，電流較小，損耗也隨之降低。

永磁同步電機相對于電勵磁電機具有效率高、結構簡單、運行可靠性好、體積小及質(zhì)量輕等優(yōu)勢。相對于感應電機而言，不僅提高了效率，而且在較大程度上提高了功率因數(shù)[6]。所以，目前新能源汽車普遍采用永磁同步電機。

此外，雙三相電機相對于傳統(tǒng)的三相電機具有以下優(yōu)勢[7-9]：1）在輸入電壓受限時，可以通過增加相數(shù)來提高系統(tǒng)總的輸出功率，因此降低了對輸入電壓的要求，且降低了對功率器件的要求，適合在新能源汽車上應用；2）電機相數(shù)越多，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩脈動頻率越高，轉(zhuǎn)矩的波動就越小，因此降低了電機在低速運行過程中的振動及噪聲；3）多相電機存在冗余的自由度，可以利用這些冗余的自由度，選取合適的控制算法，實現(xiàn)電機的容錯控制，進而提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.3 48V混動電機在變速箱上的布置

文章簡單介紹48V 電機在7 速濕式雙離合變速箱上的搭載情況。48V 電機通過三聯(lián)齒（如圖3所示）與變速箱的偶數(shù)擋輸入軸連接：首先，電機軸通過花鍵的形式與電機軸齒輪連接，然后傳遞到惰輪，最后通過中間軸將動力傳輸?shù)脚紨?shù)擋位。

圖3 三聯(lián)齒示意圖

圖4示出48V電機在變速箱上的接口圖。48V電機通過2個定位銷及4個緊固螺栓與變速箱本體連接。通過左側(cè)的2 個定位銷及平面可以將電機完全約束。為了提高安裝的強度及模態(tài)，電機本體上的2個支架又與右側(cè)的2個安裝凸臺通過2個緊固螺栓連接。采用電機外置的方案，不用改動變速箱內(nèi)部的結構就可以實現(xiàn)P2.5 的功能，可以沿用變速箱基礎機型的內(nèi)部傳動結構，在一定程度上節(jié)省了研發(fā)成本，縮短了零部件的開發(fā)周期。

圖4 48V 電機在變速箱上的接口圖

3 結論

因國內(nèi)外目前在48V 電機P2.5 混動系統(tǒng)布置的方案上均無量產(chǎn)項目，所以該混動方案處于初期研究階段。通過前期動力性與經(jīng)濟性計算，搭載P0+P2.5 混動系統(tǒng)的整車綜合工況油耗為5.4～5.8 L/100 km。

48V 電機采用永磁同步電機和雙三相的設計，在效率、可靠性、輸出功率等方面均有很大優(yōu)勢。另外，基于48V電機的混動系統(tǒng)在安全電壓下和對變速箱改動小的前提下，實現(xiàn)了P2.5 功能。綜合成本及油耗的考慮，該系統(tǒng)是未來新能源混動汽車發(fā)展的一個重要方向。