48V輕混系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研究

萬(wàn) 欣，邵 波，孟 成，鄭艷剛，孫 燦

（北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300）

隨著國(guó)家新能源車輛補(bǔ)貼退坡，電池成本居高不下，越來(lái)越多的車企選擇48V輕混系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)越來(lái)越高的排放標(biāo)準(zhǔn)。48V輕混系統(tǒng)具有系統(tǒng)成熟度高、整車適配性強(qiáng)、節(jié)油率提升明顯、投入成本低的特點(diǎn)。越野車具有使用地域廣、迎風(fēng)面積大、風(fēng)阻大、車重高、滾動(dòng)阻力大等特點(diǎn)，為解決車輛高油耗問(wèn)題，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，選用2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)搭載48V輕混P0架構(gòu) （圖1），選用BSG啟動(dòng)／發(fā)電一體電機(jī)［1］。

1 48V系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

48V P0架構(gòu)是通過(guò)皮帶連接BSG電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)本身不驅(qū)動(dòng)車輛行駛，而是作為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的補(bǔ)充。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速、低扭矩區(qū)域工作時(shí)，通過(guò)對(duì)48V電池充電，拉升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，使其運(yùn)行在最佳油耗線附近。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速、高扭矩工作時(shí)，48V電池放電增扭，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線回落到最佳油耗線附近。通過(guò)增加48V輕混系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行保持在最佳油耗線附近，進(jìn)而達(dá)到降低油耗的目的。不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線如圖2所示。

圖2 不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線

2 發(fā)動(dòng)機(jī)與BSG電機(jī)的匹配參數(shù)

作為48V輕混系統(tǒng)的動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的匹配至關(guān)重要，通常發(fā)動(dòng)機(jī)由于慣量大，瞬時(shí)響應(yīng)速度慢，組合響應(yīng)較快的電機(jī)可以彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的不足。越野車迎風(fēng)面積大、車重高，在行駛時(shí)需要克服空氣阻力、滾動(dòng)阻力、坡道阻力等。表1為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)參數(shù)表。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)參數(shù)表

3 48V電池選取

目前市場(chǎng)上常用的48V電池有3種，分別是磷酸鐵鋰、三元鋰及以鈦酸鋰為負(fù)極材料的鈦酸鋰電芯。表2為3種電芯產(chǎn)品的性能對(duì)照。

4 仿真分析

48V輕混車輛在行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)盡可能工作在高效能區(qū)，并且要維持SOC平衡。在WLTC工況下，仿真分析電機(jī)運(yùn)行曲線見(jiàn)圖3。

4.1 WLTC工況電機(jī)仿真分析

通過(guò)分析圖3，在48V系統(tǒng)控制策略下，電機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)間 （圖3黃色區(qū)域），電機(jī)的運(yùn)行效率提高［2］。

4.2 48V電池仿真分析

在WLTC工況下，仿真分析48V電池工作情況見(jiàn)圖4。圖4紅色區(qū)域?yàn)殡姵氐淖畲蟪掷m(xù)充放電功率，在電池可用SOC范圍內(nèi)，其功率滿足最大持續(xù)充放電功率，48V系統(tǒng)可以滿足WLTC排放要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表2 3種電芯產(chǎn)品的性能對(duì)照

4.3 48V電池功率計(jì)算

圖3 WLTC工況下電機(jī)的運(yùn)行曲線

圖448 V電池的WLTC仿真分析

車輛加速或爬坡電機(jī)助力：電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為峰值13kW時(shí)，48V電池放電；車輛加速或爬坡多在低擋狀態(tài)下行駛，從燃油經(jīng)濟(jì)性方面考慮希望此時(shí)BSG電機(jī)以大扭矩輸出，相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能過(guò)多提升，BSG電機(jī)轉(zhuǎn)速在2000r／min或以上工作，效率以0.7計(jì)算，以一個(gè)周期為30s計(jì)算電池放電所需：

車輛制動(dòng)，電機(jī)放電：制動(dòng)能量回收，BSG電機(jī)功率為峰值16kW，48V電池充電；車輛制動(dòng)能量回收一般在車速較高狀態(tài)下行駛，由于傳動(dòng)比的關(guān)系，BSG轉(zhuǎn)速較高，以7000r／min計(jì)算，效率以0.8計(jì)算，以一個(gè)制動(dòng)周期為20s計(jì)算電池回收能量：

根據(jù)上述公式 （1）、公式 （2）計(jì)算所得數(shù)值，圓整后電池可用能力為155Wh。

5 結(jié)論

通過(guò)仿真分析計(jì)算，可用能量大于155Wh的電池箱體均可以滿足本車輛使用，并且48V輕混系統(tǒng)可以顯著優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，車輛操縱平順性、穩(wěn)定性提升，車輛節(jié)油效果明顯。48V輕混系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有限的成本投入，大幅度降低車輛的能耗［3］。