48 V輕度混合動力系統故障模式研究及臺架驗證

崔華芳，張明朗，王培培

（比亞迪汽車工業有限公司汽車工程研究院動力傳動試驗部，廣東 深圳 518118）

48 V BSG輕度混合動力汽車是靠皮帶傳動一體化起動／發電機BSG（Belt Starter Generator）汽車，電機與發動機曲軸通過皮帶傳遞動力，通過皮帶驅動一體化起動／發電機，能夠有效降低汽車的燃油消耗和改善汽車排放。因BSG輕度混合動力汽車具有發動機怠速停機、智能啟動、加速助力及制動能量回收等功能，對汽車電池性能及整車電能管理系統提出了更高的要求，要求電池具有頻繁啟動發動機的性能，要求具有智能化的電池能量管理系統和失效模式預防系統。本文主要針對某BSG輕度混合動力車型的電池及電池能量管理系統主要的潛在失效模式進行了研究分析，在混合動力總成試驗臺架上模擬各類實車故障失效模式的實車運行狀態，并對各失效模式進行了驗證分析。

1 傳統汽車發電機功用

傳統汽油機車輛的發電機是汽車的主要電源，其功用是在發動機正常運轉時 （怠速以上），向所有用電設備供電，同時向鉛酸蓄電池充電，其工作原理圖見圖1。該類汽車一般不具有檢測電池性能的電池管理系統，通過調整發電機的發電電壓可防止電池過充，但不能防止電池過放。在汽車行駛過程中，主要由發電機通過調節器給整車電氣設備供電，此時蓄電池發生故障，并不影響汽車的繼續行駛。

圖1 傳統燃油車發電啟動部分工作示意圖

而BSG輕度混合動力汽車是采用BSG電機取代傳統汽車的發電機，在整車電池能量管理系統的管理下，除了取代發電機向整車電氣設備供電和向蓄電池充電的功能外，還具有智能起動發動機、汽車加速助力和制動能量回饋等功能，因此系統較傳統汽車復雜。

2 BSG系統的結構和工作原理

某公司某車型項目為BSG輕度混合動力車型，整車電氣系統采用48 V／12 V雙電壓平臺，整車采用48 V鐵電池取代傳統汽車12 V鉛酸電池為整車電源，配以整車電池能量智能管理系統，實現整車雙電壓平臺能量的智能管理。

如圖2所示，該車型整車供電系統采用48 V／12 V雙電壓平臺，除部分整車控制器 （如車身控制模塊BCM、發動機控制單元ECU等）采用12 V工作電壓供電，其余整車電器（如電動助力轉向系統EPS、起動機等）采用48 V供電，鐵電池輸出48 V電壓和12 V電壓雙電壓，整車DC-DC控制器把48 V電壓轉換為12 V電壓供12 V用電設備使用，48 V電壓直接供給整車包括BSG電機在內的48 V用電設備，鐵電池輸出12 V電壓作為DC-DC控制器故障的備用電源。

圖2 48 V BSG輕度混合動力車整車電氣示意圖

在整車工作過程中，BSG電機正常功能為智能起停發動機，根據控制策略，BSG電機在啟動工況時，短時間內將發動機拖動至怠速轉速，發動機開始噴油點火正常工作，電池能量管理系統根據電池的電量狀態，決定BSG電機的工作模式，或作為發電機使用，給整車鐵電池充電，或作為電動機使用，在整車加速時助力驅動，同時在減速時，可以提供制動力矩，進行能量回收。

3 BSG系統主要故障模式研究

該BSG車型整車電氣工作原理圖如圖3所示，鐵電池輸出48 V和12 V （DC-DC故障備用電）供整車48 V和12 V用電設備使用。在該系統中，BSG電機、鐵電池和DC-DC控制器作為系統核心部件，在車輛正常運行過程中，如果這些核心部件發生故障，如何保障整車正常運行至目的地或維修站；同時由于現在汽車整車上的電器設備越來越多，當整車出現較大負荷用電設備開關時，會造成整車電壓的波動，此時需要電源管理系統進行智能調節，保持整車電壓平臺的穩定。結合整車電氣工作原理圖3，下面對整車可能存在的主要故障進行分析。

圖3 某BSG車型電氣工作原理圖

1）負載突變。此處負載突變故障模式指整車用電較大的電器設備故障，容易對BSG系統造成電壓不穩。從圖3可以看出，在整車正常運行過程中，在整車電池電量平衡的狀態下，整車用電設備由BSG電機發電給整車用電設備供電。當整車正電量突然發生劇烈變化時，會影響供電母線電壓的劇烈波動，可能造成整車其它用電設備過壓沖擊或欠壓保護，影響整車的電氣設備的安全，因此必須要保障在整車用電氣負載突變的情況下，保持整車供電母線電壓的相對穩定，以保證用電設備的安全。

2）BSG電機故障。整車BSG電機作為核心部件，如果BSG電機故障，如何保障系統能夠持續運行至目的地或維修站，是整車電池能量管理系統需要重點考慮的問題。在該車型系統中，有低溫起動機在BSG電機故障時可以保證整車發動機的正常起動，在運行過程中，BSG發電機故障，由整車鐵電池向整車電氣系統供電，但整車電池能量管理系統控制整車加速助力及制動饋電等功能失效。

3）鐵電池故障。鐵電池作為整車電能的提供者，在汽車行駛過程中，如果鐵電池故障，此時無論BSG處于什么工作狀態 （發電、電動或空載等），均需要轉為發電狀態給整車用電設備供電，保障整車的正常運行。但由于BSG電機轉向發電狀態需要有一定的時間間隔，期間會造成整車供電電壓的瞬間降低，需要在臺架匹配BSG在各種工作狀態下，整車在各種用電設備負荷下整車系統的穩定性。

4）DC-DC控制器故障。我們知道DC-DC控制器的主要作用是將48 V電壓轉換為12 V電壓為整車12 V用電設備供電，因此當DC-DC控制器故障時，整車電池能量管理系統需要使鐵電池12 V備用電開始工作，保證整車12 V低壓用電設備能夠持續正常工作，保障整車的安全運行。

4 臺架試驗之故障模式驗證

通過上面的故障模式分析，可以看出整車負載突變和鐵電池故障，對系統影響加大，因此需要在臺架上進行這兩類故障模式的實車模擬和故障策略應對，以保障車輛在突發故障時可以安全運行。

4.1 負載突變故障模擬及驗證

在動力總成臺架上，采用電阻負載模擬整車48 V車用電器負荷，通過控制突然施加負載和突然斷開負載，來模擬整車用電設備的負載突變，臺架模擬圖如圖4所示。通過發動機反拖BSG電機至各不同轉速，直流母線端只加上電阻負載 （2.3 kW負載，模擬除BSG電機外其他48 V用電設備），用開關通斷控制加載、卸載，通過電壓環控制輸出所需要的負載，并保證母線電壓的穩定。下面分別為BSG電機在1 500 r／min、3 000 r／min和7 000 r／min三種轉速下，通過控制電阻負載模擬整車用電負荷的突變，觀察母線供電電壓的變化情況。

圖4 臺架模擬穩壓調試結構簡圖

通過臺架故障模擬運行調試，可以得出如下結論。

1）從圖5可以看出，由于發動機怠速運行帶載能力較小，在BSG電機1 500轉 （對應于整車發動機在750 r／min怠速運行）工況下，BSG電機的最大發電量為1 kW （直流側），所以根據該工況下模擬的實車負載來說，母線電壓最大只能輸出33 V，無法達到48 V。

2） 從圖6可以看出，BSG電機2000r／min到6500r／min，發電帶載2.3 kW，母線電壓可以穩定在48V輸出。在2 000 r／min至6500r／min轉速區間范圍內，直流電壓變化情況如表1所示。

3）從圖7可以看出，在7 000 r／min及以上轉速區間范圍內，當直流側空載時 （整車用電設備不用電或用電非常少時），只能靠母線電容來穩壓，由于電容容量有限，所以母線電壓無法穩定，電壓波動較大；當直流側帶載時 （整車有一定量的電器負荷），系統可以穩定電壓輸出，保證系統電壓穩定平衡。

圖5 1 500 r／min突加載

圖6 3 000 r／min突加載突卸載

圖7 7 000 r／min突卸載

表1 正常工作區域穩壓情況

4.2 電池故障模擬及驗證

如圖8所示，在臺架上模擬整車的電池故障：分別在BSG電機在發電、空載、電動3種狀態時，電池突然故障斷開，此時BSG電機轉為發電狀態，發電供給模擬整車電氣負載的2.3 kW電阻負載，并提供48 V給DC-DC控制器，DC-DC控制器將48 V轉換成12 V給整車12 V低壓電器設備供電，保障系統能夠正常運行。臺架故障模擬時，通過開關遠程通斷控制電池模擬器模擬的鐵電池48 V輸出電壓的通斷，電阻負載電路通斷模擬系統負載的突然加載卸載，測試圖中電流表電壓表標識處電壓及電流的變化情況。

1）BSG電機電動狀態。模擬在鐵電池故障時，BSG電機處于電動狀態。此時鐵電池突然發生故障或斷開，BSG要從電動迅速轉換為發電狀態，且BSG控制器直流側輸出電壓也要快速恢復48 V，給48 V用電設備供電，如圖9所示。

如圖9所示，藍色線為電動電流A1，紫色線為母線電壓，DC電壓瞬間拉低，DC保護，無輸出12 V，BSG電機控制器停止工作，系統無法繼續工作。通過對應不同轉速點下不同電機扭矩下分別進行了調試，測試電機處于電動時候斷開電池直流側帶載2.3 kW、1.1 kW、空載3種情況下，系統均無法正常工作。

2）BSG電機空載狀態。模擬在鐵電池故障時，BSG電機處于空載狀態。此時鐵電池突然發生故障或斷開，BSG要從空載狀態迅速轉換為發電狀態，且無論整車負載狀態如何，BSG電機的直流側輸出電壓也要快速恢復48 V，給48 V用電設備供電，如圖10所示。

如圖10所示，當BSG空載狀態，電池突然故障，DC電壓變為28 V，50 ms后恢復48 V，可以正常工作，分別對電機不同轉速點空載工況進行了檢測，電機處于空載時候，斷開電池在直流側帶載2.3 kW、1.1 kW、空載情況下，系統都可以正常穩壓工作。

3）BSG電機發電狀態。模擬在鐵電池故障時，BSG電機正處于發電狀態。此時鐵電池突然發生故障或斷開，BSG要根據整車電器負載狀態，調整BSG電機的直流側輸出電壓穩定，給整車系統48 V用電設備供電，如圖11所示。

圖9 BSG電機電動狀態

圖10 BSG電機空載狀態

圖11 BSG電機發電狀態

如圖11所示，當BSG電機正在發電狀態，電池突然故障，DC電壓瞬間拉低到30 V，177 ms恢復到48 V，電機處于發電時候斷開電池，直流側帶載2.3 kW、1.1 kW、空載情況下，發電情況下根據直流側帶載的大小，發電量如果小于直流側的載荷，系統可以正常穩壓工作，但是發電量稍微大于直流側的載荷，系統還是無法正常穩壓工作。

5 結論

BSG輕度混合動力車型以其獨特的性能和低廉的成本是目前各大車企的重點研究方向，其對特定行駛工況的燃油消耗量的減少有著突出的作用。 BSG系統相對傳統汽車，系統較為復雜，對電池、電控及電池能量管理系統等核心零部件的性能及可靠性有很高的要求，系統的優化設計，不僅使系統能夠穩定工作，還需要保證整車電氣設備不受欠壓影響或過壓沖擊。在前期實驗室內，對BSG系統各核心零部件進行充分的潛在故障研究并模擬實現，通過調整優化核心零部件的性能和整車電池能量管理策略，是實現整車安全性能的前提。本文通過混合動力總成臺架，配合電池模擬系統和整車電氣負荷模擬負載，對BSG系統的關鍵零部件的主要失效功能進行了分析研究，并在臺架上進行了測試分析，為后續BSG系統的進一步優化奠定了基礎。