48 V皮帶式啟動發電一體機開發

汪若英，席安靜

（上海法雷奧汽車電器系統有限公司，上海 201203）

1 背景介紹

中國《節能與新能源汽車產業發展規劃 （2012-2020）》明確規定，2020年燃油乘用車平均油耗應在5.0 L／100 km，對應二氧化碳排放約為120g／km，節能型汽車在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；美國要求2025年輕型汽車的平均油耗達到4.3 L／100km左右；日本提出了至2020年乘用車平均燃料經濟性水平達到4.9 L／100km。隨著油耗和排放法律法規的日益嚴苛，世界上所有整車廠和零部件供應商都在尋找能夠滿足法規要求的動力總成解決方案。

2017年9月，工信部等五部委聯合公布了《乘用車企業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企業實現燃油車燃料消耗階段目標值，促進發展新能源車型。2016年10月，中國汽車工程學會年會上，《節能與新能源汽車技術路線圖》發布，“48 V系統開發”是節能汽車技術之一。由于這項技術具有安全性高、技術成本增加低、有較高節油率的特點，根據HIS Markit的相關預測，2025年時搭載48 V弱混系統的車輛將會達到17.9%，2030年這一數字將會達到36.2%。

48 V電氣系統與12 V或高壓電氣系統相比，具備以下優勢。

1）相比于300 V高壓系統，48 V系統電壓更安全。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，汽車設計需要著重考慮車內乘客的安全性問題，指定相關安全措施來保護乘客避免受到傷害，因此其開發的復雜程度和開發成本會大幅度提高。VDA320標準中規定了48 V系統的最大直流電壓幅值為54 V，符合安全電壓范圍，對車內乘客不會造成人身傷害。

2）技術成本增加低。48 V系統沒有完全摒棄車載12 V電氣系統，利用48 V皮帶式起動發電一體機代替原有12 V傳統發電機，同時增加了獨立48 V電氣網絡，原有車載電氣網絡可以繼續使用，整車改動小，開發成本增加較低。

3）實現更好的娛樂和舒適性。隨著人類對汽車車載娛樂及舒適需求的不斷增加，車內娛樂和信息系統的不斷進化，車載用電設備的數量及其功率消耗必定會大幅度增加。相比于傳統12 V電壓供電，48 V系統可以提供更高的電壓等級及功率輸出，因此車載高功率需求的用電設備將會逐步使用48 V供電，這些系統包括加熱系統，如座椅加熱、前后擋風玻璃除霜器及鼓風機等；制冷系統，如空調壓縮機、發動機冷卻風扇等；供給系統，如水泵和燃油泵等；輔助駕駛系統，如電動助力轉向系統、主動式懸架轉向系統和前后擋風玻璃雨刮等。利用48 V系統可在發動機關閉時以上設備保持正常使用，這是傳統12 V電氣系統難以實現的功能優勢。

48 V皮帶式啟動發電一體機作為48 V系統中最為核心的零部件，需要滿足電機與控制器一體化集成設計，滿足發動機艙惡劣環境等多重設計約束。下文詳細介紹法雷奧汽車電器有限公司開發的啟發電一體機的電機及控制器結構及功能。

2 48 V系統分類及組成

圖1 混動系統架構

P0架構的48 V系統一般包括48 V鋰電池，48 V-12 V DCDC轉換器，48 V皮帶式啟動發電一體機和整車控制系統。相對于傳統12 V整車電氣架構，取消了原有的12 V交流發電機。如圖2所示。

圖2 48 V系統電氣網絡組成

3 結構及功能

48 V啟發電一體機的電機部分包含兩個最基本的組件：爪極式混合勵磁同步電機本體，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啟發電一體機示意圖

如圖4所示，電機轉子包含了轉子軸，前后爪極，風葉，集電環，前、后軸承，稀土磁條以及轉子線圈。

如圖1所示，按照電機安裝位置的不同，48 V系統可以分為與發動機通過皮帶輪連接的P0架構；置于變速器之前，與發動機曲軸相連的P1架構；置于發動機和變速器之間的P2架構；置于變速器輸出端的P3架構；以及用于后橋驅動的P4架構。

圖4 轉子總成

如圖5所示，電機定子為雙三相結構，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，提高電機效率。

圖5 定子總成

表1 電機參數及性能數據

表1為電機相關參數及性能數據。從數據中可以看出，在有限的空間下，電機實現了較高性能的輸出。

電機控制器主要用來精確控制電機，根據上層控制器的需求，輸出所需的扭矩、轉速和電壓，同時在遇到故障情況時，能夠保護整個系統的運行。圖6為控制器的硬件結構圖。

電機控制器的硬件主要包括以下幾個組成部分：包含MOSFET功率模塊可實現雙向整流、逆變功能的功率電路；控制勵磁電流同時具備快速退磁功能的勵磁電路；傳導和釋放控制器熱量的散熱器；直流側用以降低交流脈動紋波系數，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，用來實現電機啟動、發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子勵磁電橋，其主要目的是實時響應驅動電路發出的驅動信號，實現直流交流的雙向高效轉換。電路的主要組成部分有：包含低導通電阻MOSFET的雙向全橋電路，供轉子電流且具有自我保護功能的MOSFET橋式電路，用以測量功率電路溫度的測量機診斷保護電路。

圖6 控制器硬件結構圖

控制電路主要用來采集上層控制器發出的控制信號，如圖6所示控制板主要包括電源調理電路，多核單片機，CAN通訊收發電路，電壓、溫度、電流采集電路，以及MOSFET驅動電路等。根據上位機發出的模式請求，控制電路通過矢量控制驅動雙三相功率單元，從而使得助力和發電扭矩得以實時控制。

電機控制器的軟件開發完全按照AUTOSAR的標準架構進行開發，實現以下功能。

1） 自動啟停 （START／STOP） 紅綠燈車輛靜止狀態下，整車控制器將會使發動機處于關閉狀態，而在采集到駕駛員的前進意圖時，整車控制器將會控制啟動發電一體機利用在48 V鋰電池中存儲的能量，將發動機快速平穩地啟動。電機最大輸出55 Nm的正扭矩啟動發動機，通過合理的標定，啟動時間在300 ms以內迅速完成。

2）動力輔助 （BOOST） 由于48 V皮帶式啟發一體機可以將鋰電池中電能轉化為助力整車加速的機械能，因此在整車提速階段，電機的輔助動力能彌補發動機動力的不足，實現不損失動力的情況下有效降低排放。

3）能量回收 （RECUPERATION） 能量回收可以將機械能轉化為電能，在整車制動或者正常運行工況下，電機將負扭矩下的電能整流并存儲到鋰電池中，同時可以提供車載電子負載所需的電能。

4） 滑行 （SAILING／ACTIVE ENGINE-OFF COASTING） 在車輛恒速運行并且電池電量充足的情況下，關閉發動機噴油系統，依靠電機來維持車輛運行。電機提供的動力用來抵消行駛阻力以及發動機的拖拽阻力。當再次踩下油門踏板，發動機會迅速啟動，平滑切入到當前車速。

5） 輔助停機 （ENGINE STOP ASSISTANT） 當整車減速停車時，可通過輔助停機功能將電池電能轉換為制動扭矩，電機控制發動機轉速，從而實現發動機快速、舒適停機。

6）主動放電功能 （DISCHARGE） 整車下電前，可使用主動放電功能迅速降低48 V皮帶式起動發電一體機直流側電壓，確保整車安全下電。

7）故障診斷 （DIAGNOSTIC） 為了確保電機在出現故障時能夠很好地保護自身及系統，48 V皮帶式起動發電一體機具備故障管理、在線故障檢測、存儲及故障上傳等功能，包含相關的電路診斷，合理性診斷，比如過壓、過流、過熱及輸入傳感器和輸出執行器的故障診斷。發生故障時，電機將會通過在勵磁回路實現快速退磁，同時打開功率側的所有MOSFET，迅速進入安全狀態。

通過實車測試，48 V起動發電一體機的最大效率可以達到85%，搭載該電機的整車在NEDC工況下節油率達到10%～15%。

4 總結

48 V系統具有安全性高，整車開發追加成本低，實現更好的娛樂和舒適性的優點，值得大力推廣。