48 V-BSG混合動力系統研究

張秋新，祖潤青

（無錫英捷汽車科技有限公司，江蘇 無錫 214000）

由于城市汽車保有量的增加，隨之帶來的燃油消耗和尾氣排放問題日益成為社會關注的焦點，為了實現汽車節能減排而采用混合動力技術成為未來汽車發展方向的關鍵。

混合動力汽車 （HEV）以先進的控制技術為紐帶，是傳統燃油汽車與純電動汽車的一種過渡性車型，其關鍵技術涵蓋機電工程、電力電子、電化學、控制工程、汽車電子和車輛工程等多學科，混合動力汽車將內燃機、電動機、傳動系統與一定容量的蓄電池通過控制系統相組合，使發動機工作在高效區，可以實現起停、電動助力、滑行、制動能量回收等功能。BSG（皮帶傳動一體化起動／發電機）作為混合動力汽車的一種形式，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 混合動力分類

1）按“混合程度”進行劃分，見表1。

2）按“動力及傳遞方式”進行劃分，見表2。

3）按“電機布置位置”進行劃分，見表3，系統結構圖見圖4。

表1 按 “混合程度”分類

表2 按 “動力及傳遞方式”分類

圖1 串聯式

圖2 并聯式

圖3 混聯式

圖4 電機布置位置

表3 按 “電機布置位置”進行劃分

2 48 V-BSG系統物理架構及工作原理

48 V-BSG系統就是以BSG電機為基礎具有起動、發電、助力和能量回收等功能的混動系統，BSG電機一般布置在發動機的前端，所以對于單獨搭載該技術的混動車也稱之為P0結構。48 V-BSG混合動力物理架構如圖5所示，與傳統車的區別在于：發電機改成了48 V-BSG電機，增加了DC／DC和動力電池，從而實現混合動力控制。該混合動力系統保留了傳統車上的12 V起動電動機，以保證溫度過低時發動機能正常起動。

圖5 48V-BSG物理架構

48 V-BSG系統基本功能如下。

1）起停發動機：要求BSG系統汽車在等待紅燈或者堵車等情況下暫停發動機工作，當車輛感受到駕駛員的起步意圖時，快速起動發動機。BSG系統比傳統的起停系統具有更好的舒適性、更短的起動時間、更低的震動和噪聲。

2）助力：當駕駛員需求扭矩超出發動機可提供的上限時，BSG電機提供額外的加速助力扭矩／功率。

3）能量回收：當駕駛員制動車輛時，BSG電機通過制動能量發電給蓄電池充電，實現能量回收；滑行時，同樣也能實現能量回收。

4）發電：BSG作為48 V發電機，對48 V動力電池充電以及通過DC／DC給12 V低壓蓄電池充電，保持整車電網的能量平衡。

5）工作點轉移：在電池電量合適時，BSG電機通過附加電動或發電扭矩，調整發動機的工作點使其工作在較為高效的區域。

3 48 V-BSG系統動力參數設計

BSG混合動力轎車以發動機為主要動力源，電機系統在發動機正常運轉情況下不工作。根據現有條件，經計算分析后選擇的發動機為某型1.5 T汽油機，其最大功率為77 kW（6000 r／min），最大扭矩為147 Nm （4300 r／min）。

3.1 BSG電機參數設計

BSG電機一方面作為電動機快速拖動發動機達到怠速以上轉速，另一方面作為發電機給蓄電池充電。當發動機處于怠速工況時間較長時，控制系統自動使發動機和BSG電機停止工作；需要起步時，BSG電機快速起動發動機，實現發動機自動起停；正常行駛工況下，BSG電機和常規車用發電機一樣由發動機驅動發電，給蓄電池充電。當BSG電機作為電動機實現發動機高轉速起動時，要求電機在較高轉速時具有較高的轉矩，其功率P需滿足起動功率P1和拖動發動機達到怠速以上轉速 （設計參數為1100 r／min）時所需功率P2的要求，計算公式如下。

式中：MQ——發動機起動時阻力矩；NQ——最低起動轉速；I——發動機運動部件當量轉動慣量；ω——相對于怠速以上轉速時的曲軸角速度；Δt——發動機從起動到怠速以上轉速所需時間 （設計參數為0.1 s）。

MQ由經驗公式MQ=CL求取，其中，C為不同發動機的系數；L為發動機排量；I為常數。由此電機的額定功率P可確定。電機的額定轉速n由公式n≥9550PMQ確定。

經計算可知，所設計的電機額定功率為4 kW （峰值功率為11.5 kW），額定轉速為3600 r／min（最高轉速為18000 r／min）。其轉速-轉矩特性如圖6所示。

圖6 轉速-轉矩特性

3.2 DC／DC參數設計

1）整車電功率計算：整車電功率是進行DC／DC選型的重要依據，整車實際用電功率、電流公式如下。

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

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，峰值持續時間不小于6min。

根據上述，計算后的DC／DC輸出功率3 kW，其參數如表4所示。

3.3 48 V電池包參數設計

電源系統最大輸出功率與電流確定。根據確定的電機功率，電源系統需求最大功率為

表4 DC／DC參數

式中：Pper——電機額定功率，kW；ηc——電機轉換效率，這里取0.9；ηm——控制器效率，這里取0.95。經計算得出電源系統需求最大功率為11.5 kW。系統輸出最大電流如下。

式中：U——額定電壓，V；α——設計冗余系數，通常選擇1.3；β——額定電壓下降系數，這里取10%。電源系統電量的確定：根據最大輸出電流、輸出電壓和持續放電時間計算得出：

式中：U——額定電壓，V；T——BSG電機單次助力持續工作時間，s；N——BSG電機助力次數。經與供應商CATL確定，選取平臺化電池包，最大可用電量468 Wh。

4 試驗結果及分析

1）動力性能試驗

根據GB／T12545-90《汽車燃油消耗量試驗方法》和GB11642-89《輕型汽車排氣污染物測量方法》的要求，在轉鼓試驗臺上按照典型循環行駛試驗工況模擬實際汽車運行狀況進行油耗測量和排放污染物檢測。

按NEDC工況連續進行試驗后，試驗結果如表5所示，48 V-BSG系統燃油消耗為6.89 L／100 km，比SSM系統的7.85 L／100 km下降了12%，發動機的燃油經濟性明顯提高；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試驗結果

2）噪聲和震動對比

根據GB 1495-2002《加速行駛車外噪聲限值及測量方法》和GB／T 13860-1992《地面車輛機械振動測量數據的表述方法》的要求，在專用試驗測量場地進行48V-BSG系統與傳統車系統對比試驗，試驗數據如圖7所示。

圖7 在專用試驗測量場地進行48V-BSG系統與傳統車系統對比試驗

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