基于某乘用車的48 V動力電機的功率計算

王 磊

(合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，合肥 230009)

0 前言

各主機廠在環(huán)保法規(guī)的壓力下，艱難轉型電動化。由于電動化汽車的相關技術還并不成熟，尤其是動力電池的難題眾多，無論在成本還是續(xù)航里程方面，與消費者的預期依然存在不可忽視的差距。相對于發(fā)達國家而言，我國的電力能源結構并不環(huán)保，污染較為嚴重的火力發(fā)電依然是主要電力來源。 在這樣的大環(huán)境下，混合動力車輛應運而生，成為純內燃機車輛和純電動車輛的過渡方案。根據混合程度的不同，可以將混合動力汽車分為插電式混合動力汽車(PHEV)、混合動力汽車(HEV)、微混合動力汽車(MHEV)3大類。通常而言，PHEV的成本是三者之中最高的，其帶來的節(jié)油率也是最大的，MHEV成本是三者之中最低的，同樣帶來的收益也是最低的[1]。在MHEV中，48 V混合動力汽車由于其基本結構可以不改變現(xiàn)有的汽車動力總成架構，且相對于PHEV僅需要10%甚至更低的成本來實現(xiàn)50%的節(jié)油效果，在輕型乘用車行業(yè)內越來越受重視。本文旨在以某輕型乘用車為平臺，基于P0布置方案，對其關鍵零部件——皮帶傳動起動/發(fā)電一體化電機(BSG)的功率進行設計計算。

1 基本車型研究

本文研究對象為1臺改裝后搭載了48 V BSG系統(tǒng)的MHEV，以下簡稱為“48 V車輛”，其原型車為某車企2018年在國內市場上銷售的轎車，以下簡稱為“原型車”。原型車的基本參數如表1所示。

表1 原型車的基本參數

由表1可知，該原型車整備質量為1 600 kg，排放滿足國五法規(guī)要求，為目前市場上的主流車型平均水平，具有普遍的研究代表性。

2 功率計算

48 V BSG電機的功率設計主要原則需滿足3方面的要求：(1)快速起動；(2)動力性提升；(3)最大能量回收。在設計過程中，可以通過式1來進行最大電機功率的計算

P=max(P1，P2，P3)

(1)

式中，P為48 V電機所需滿足的功率；P1為快速起動要求所需功率；P2為滿足動力性提升要求所需功率；P3為滿足最大能量回收要求所需功率。

由于原型機是3缸機，怠速轉速較高，大約為900 r/min。在原型機的冷起動過程中，600 r/min為起動標準轉速。如圖1所示，原型車轉速從停機開始提升到600 r/min，整個起動過程耗時約742 ms。

圖1 原型車的起動時間參照

由于48 V車輛的設計特殊性，在冷起動過程中需要將內燃機倒拖到1 000 r/min左右才開始噴油，48 V BSG電機需要有能力將發(fā)動機倒拖到標定轉速1 000 r/min。

發(fā)動機倒拖摩擦力矩可以在臺架或者在轉鼓上進行倒拖而得到，在冷機狀態(tài)下的發(fā)動機倒拖摩擦力矩比熱機狀態(tài)下要高一些，大約為30 N·m。

為了最小化起停過程對駕駛員的干擾，且滿足快速起停的時間需求，需要將48 V車輛的整個起動過程壓縮在300 ms以內。倒拖所需功率可通過式2進行計算

(2)

式中，If為發(fā)動機旋轉部件的轉動慣量；ω為發(fā)動機飛輪轉動的目標角速度；Δt為發(fā)動機倒拖到起動標志轉速所需的時間。式2中的發(fā)動機旋轉部件的轉動慣量是未知量，可參照式3中的加速惰轉法來確定旋轉部件的轉動慣量[2]

(3)

式中，Tb為發(fā)動機燃燒時氣體壓力產生的扭矩。在停機過程中，可以認為Tb為0，則公式可改寫為

(4)

圖2 熱機停機實測過程中的轉速下降過程

由計算可得，P1不得小于3.15 kW。實測原型車在停機過程中的轉速如圖2所示。從圖2可以看出，發(fā)動機從怠速900 r/min降至200 r/min，基本為勻速停機狀態(tài)，過程耗時1 257 ms。

在熱機停機過程中，發(fā)動機倒拖摩擦力矩Tf相對冷機起動過程而言會低一些，約為20 N·m。通過計算可以得到，發(fā)動機旋轉部件的轉動慣量If約為0.686 kg·m2，代入If的值，計算得到P1不小于6.27 kW。綜上所述，P1取值為6.27 kW。

3 數值研究與評價

汽車的動力性通常由3個指標來評價：(1)汽車最高車速umax；(2)加速時間t；(3)最大爬坡度imax。在該試驗過程中，選定最大車速umax來初步估計P2的大小。

汽車在直線行駛過程中，可以通過僅受縱向外力條件下的汽車功率平衡公式進行計算

(5)

式中，Pe為發(fā)動機輸出功率；ηT為傳動系的機械效率；G為整車所受重力；f為滾動阻力系數；u為車速；i為道路坡度；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；σ為汽車旋轉質量換算系數；m為整車質量。

當汽車在最大車速下行駛時，可以認為式5的加速阻力功率和坡道阻力功率為0，汽車在平直的路面上勻速行駛，僅剩下風阻功率和滾阻功率，式(5)可簡化為

(6)

試驗選擇在良好的瀝青或混凝土路面上駕駛，如表2所示，取f值為0.014，ηT可以認為是離合器、變速箱、傳動軸三者的綜合機械效率。根據經驗推斷，分別取三者為0.98、0.95、0.95。計算可得原型車的最大車速為208 km/h，基本符合實際情況。若48 V車輛需要將最大車速提升到214 km/h，由計算可知，P2應取值為8.76 kW。

表2 一般路面滾動阻力系數取值

P1和P2都是該48 V電機在助力工況下的功率，也就是作為電機時所需的額定機械功率。對于P3來說，48 V電機在能量回收情況下的額定功率可作為電機輸出時所需的額定發(fā)電功率。

為了充分發(fā)揮48 V系統(tǒng)在制動能量回收方面的功能，基于該原型車為國五排放標準的上市車輛，選擇在排放法規(guī)中要求的新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)中進行制動能量回收分析。在原型車上進行NEDC實車測試的基本情況如圖3所示[3]。

圖3 原型車NEDC實車測試工況基本信息

對于在工況測試的平直駕駛路面上，汽車制動回收功率和車速的計算公式為

(7)

式中，Pr為汽車減速過程中可回收的功率。

對于一般四輪乘用車而言，其計算公式為

(8)

式中，Iω為原型車單個車輪的轉動慣量；r為原型車車輪的滾動半徑；ig為原型車變速箱傳動比；i0為原型車主減速器傳動比。

通過帶入相關參數計算，可以得到在NEDC測試工況中，整車車速與可回收能量功率在整個工況中的大小關系如圖4所示。

由于本文中48 V車輛采用的是P0布置方案，在回收能量的過程中，必須克服發(fā)動機摩擦力矩做功，故P3須滿足：

(9)

式中，n為發(fā)動機轉速。

圖4 NEDC工況車速和制動回收功率

對P3在整個NEDC過程中進行積分，可以得到在NEDC工況過程中，可回收能量為

(10)

式中，Eb為在NEDC工況中可回收總能量。

通過相關參數進行計算，可以得到Eb為0.375 kW·h，平均每公里回收能量為0.032 kW·h。通過回收能量，可以減少整車在制動減速過程中的能量流失，提高燃油經濟性，降低燃油耗。在實際道路駕駛過程中，可回收功率P3是在Pr的基礎上減去發(fā)動機倒拖摩擦力矩的做功功率。在NEDC工況中，絕大多數情況下P3不超過10 kW，考慮到P0布置的48 V系統(tǒng)對于48 V BSG電機的低成本要求，故取P3值為10 kW。

4 總結

綜上所述，P1為6.3 kW，P2為8.76 kW，P3為10 kW。其中，P1、P2為機械助力功率，P3為發(fā)電功率。針對該原型車，在考慮到快速起動、動力性提升、能量回收3個方面的要求，同時兼顧成本和性價比問題，擬定在48 V系統(tǒng)中48 V BSG電機機械功率不得低于9 kW，能量回收的發(fā)電功率不得低于10 kW。