別克英朗車48V輕混系統(tǒng)詳解

◆文/山東 劉華

2020年4月30日，2021款別克英朗車在前款車型Ecotec雙噴射(非傳統(tǒng)意義的缸內(nèi)噴射+進氣歧管噴射，而是指每個汽缸采用兩個噴油器的進氣歧管協(xié)同噴射方式，這是增壓發(fā)動機全球首次采用的上述雙噴射方式)渦輪增壓三缸1.3T發(fā)動機、6速手自一體變速器的動力總成基礎(chǔ)上，增加了一套48V輕混合動力系統(tǒng)，這是別克車型首次采用該技術(shù)。對該款車的發(fā)動機、變速器及48V輕混系統(tǒng)等動力總成主要零部件，廠家提供8年或160 000km的超長質(zhì)保。本文將以別克英朗車型為例，對其安裝的48V輕混系統(tǒng)進行詳細介紹。

一、48V輕混系統(tǒng)組成

2021款別克英朗車安裝的48V輕混系統(tǒng)除發(fā)動機、自動變速器外，還包括皮帶驅(qū)動啟動機/發(fā)電機BSG(Belt-Driven Starter Generator)電機及電機控制器、48V動力電池組及電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)、14V輔助電源模塊APM(Auxiliary Power Module)、混合動力系統(tǒng)控制單元HCU(集成在發(fā)動機控制模塊ECM內(nèi))等組成(圖1)。

圖1 別克英朗車48V輕混系統(tǒng)組成示意圖

1.BSG電機及電機控制器

安裝48V輕混系統(tǒng)的別克英朗車，取消了傳統(tǒng)的發(fā)電機，在傳統(tǒng)車型發(fā)電機的安裝位置處，發(fā)動機橫置(圖2)，在發(fā)動機的右前方，如圖2(b)中箭頭所示，安裝了BSG電機，曲軸通過一根專用皮帶(美國蓋茨生產(chǎn))連接BSG電機并且采用專用的漲緊裝置如圖2(c)所示。

BSG電機為高性能、緊湊型三相永磁同步電機，主要由定子、轉(zhuǎn)子、皮帶輪、端蓋等組成并集成了旋轉(zhuǎn)變壓器及溫度傳感器。BSG電機主要參數(shù)：重量9.5kg、峰值驅(qū)動功率8kW、峰值發(fā)電功率為10kW、最高運行轉(zhuǎn)速大于15 000r/min、系統(tǒng)峰值效率大于83%。

圖2 BSG電機及電機控制器

電機控制器集成在BSG電機后部(不允許分解維修)，電機控制器主要由逆變電路板、溫度傳感器及控制模塊等組成，其主要作用是用于對電機的矢量控制。電機控制器具有DC/AC(直流/交流)相互轉(zhuǎn)換、變頻、變流等功能，以實現(xiàn)電機驅(qū)動或電機發(fā)電功能的控制。

BSG電機在不同的工況下，具有如下功能：啟動發(fā)動機,在發(fā)動機自動啟停后，再次啟動時，BSG電機作為啟動機快速啟動發(fā)動機；48V發(fā)電,發(fā)動機驅(qū)動BSG電機發(fā)電經(jīng)整流后輸出48V直流電；回收能量,當(dāng)車輛滑行或制動時，BSG電機作為發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)再生制動、能量回饋；輔助驅(qū)動,在急加速等工況下，BSG電機作為驅(qū)動電機輔助發(fā)動機驅(qū)動，實現(xiàn)發(fā)動機及電機混合驅(qū)動；在發(fā)動機減速斷油時，可以提供平滑扭矩。

2.48V動力電池組及電池管理系統(tǒng)模塊BMS

別克英朗48V輕混車的動力電池采用了磷酸鐵鋰電池，安裝在右前座椅的下方，其四周均用金屬板材進行了保護和定位，確保安全。動力電池組由14個方形電芯組成，外部采用金屬外殼進行封閉，采用自然風(fēng)冷，箱體側(cè)面還設(shè)計有散熱格柵。48V動力電池組的主要參數(shù)：外形尺寸310＊180＊92mm、總重量10kg、冷卻方式為自然冷卻、電芯的額定電壓為3.3V、電芯的額定容量為6Ah、動力電池組的總電壓為46.2V、可用能量105Wh(圖3)。

48V動力電池組用于儲存、釋放48V直流電能，其主要作用為：接收、儲存BSG電機產(chǎn)生的48V直流電；向BSG電機輸出48V直流電，經(jīng)過電機控制器轉(zhuǎn)換為交流三相電，實現(xiàn)啟動發(fā)動機或輔助發(fā)動機驅(qū)動車輛行駛；向14V輔助電源模塊提供48V直流電。

圖3 動力電池組及電池管理模塊BMS

電池管理系統(tǒng)模塊BMS位于動力電池組的前部，其內(nèi)部集成了用于檢測溫度、電流、電壓的傳感器及電路板、熔絲，并且還設(shè)計有一個位于48V回路中的接觸器(圖3)，若接觸器處于斷開狀態(tài)，動力電池組將無法向外供電或接受外部電能。根據(jù)不同的工況，BMS對接觸器進行控制，接通或斷開內(nèi)部48V電路，實現(xiàn)主動充電或放電控制。BMS通過CAN總線將動力電池組的電壓、電流、溫度、剩余電量SOC等參數(shù)提供給其他控制單元。

BMS利用內(nèi)部電路板上的平衡電路，按照控制邏輯，可以實現(xiàn)將電壓高的電池向電壓低的電池放電，以達到電池組內(nèi)各電芯電量平衡。執(zhí)行電量平衡需滿足如下所有條件：最高與最低電芯之間電壓差超過閾值、最高電芯電壓在3.27至3.35V之間、內(nèi)部接觸器已斷開、電流小于100mA等。

3.14V輔助電源模塊APM

輔助電源模塊APM，有時也簡稱為DC/DC模塊。別克英朗車14V輔助電源模塊位于發(fā)動機艙的右前部，右前大燈的正下方，通過4個螺栓直接固定在前梁上。14V輔助電源模塊是一個整體部件，主要由殼體、集成電路、散熱體及輸入輸出連接及通風(fēng)裝置等組成。14V輔助電源模塊采用自然風(fēng)冷，基于散熱考慮需要，采用鋁合金外殼，外殼的側(cè)面及端面還設(shè)計有散熱柵格(圖4)。

別克英朗48V輕混車的14V輔助電源模塊主要參數(shù)：輸入電壓48V、輸出電壓14V、最大輸出電流130A、最大輸出功率1.8kW。

14V輔助電源模塊是一個直流電源轉(zhuǎn)換裝置，其主要作用是：將動力電池組48V的直流電降壓至12V直流電；向12V車身電器系統(tǒng)供電及給12V蓄電池充電；參與控制扭矩管理及動力電池組接觸器動作控制。

14V輔助電源模塊通過CAN總線與發(fā)動機控制模塊ECM、混合動力控制控制單元HCU、電機控制器、電池管理系統(tǒng)模塊BMS及自動變速器電控單元等連接。14V輔助電源模塊根據(jù)發(fā)動機、48V動力電池組及12V蓄電池等的狀態(tài)，根據(jù)控制邏輯智能控制14V直流電的輸出。車輛行駛中，發(fā)動機減速斷油時，14V輔助電源模塊也可以穩(wěn)定輸出14V電壓，以供車身電氣系統(tǒng)可靠使用。

圖4 14V輔助電源模塊APM

二、48V輕混系統(tǒng)運行模式

安裝了48V輕混系統(tǒng)的別克英朗車，在不同的工況下，可以實現(xiàn)快速啟動、電機助力、智能充電、制動能量回收、電動怠速及智能停機等5種運行模式(圖5)。

圖5 48V輕混別克朗動車運行模式示意圖

1.快速啟動

車輛行駛發(fā)動機啟停后，發(fā)動機再次啟動是通過48V的BSG電機來實現(xiàn)快速啟動的。安裝48V輕混系統(tǒng)的別克英朗車，仍保留了12V系統(tǒng)的傳統(tǒng)啟動機。發(fā)動機冷啟動(非啟停啟動)時，與傳統(tǒng)車型相同，用啟動機啟動發(fā)動機。

2.電機助力

在48V動力電池組剩余電量超過閾值(如30%)時，在混合動力控制單元指令下按照控制邏輯，BSG電機輔助發(fā)動機驅(qū)動車輛行駛，實現(xiàn)發(fā)動機、BSG電機混合動力驅(qū)動，BSG電機最大助力力矩可達20N·m。

別克英朗車48V輕混系統(tǒng)，不能單獨使用BSG電機純電驅(qū)動車輛行駛。

3.智能充電

車輛行駛中，混合動力控制單元綜合考慮48V動力電池組的剩余電量SOC和發(fā)動機工況等因素，若滿足設(shè)定的條件，則發(fā)動機驅(qū)動BSG電機發(fā)電，對動力電池組進行智能充電。

4.制動能量回收

車輛行駛中滑行或制動減速時，混合動力控制單元通過電機控制器控制BSG發(fā)電并向鋰動力電池組充電，實現(xiàn)能量回收。

5.電動怠速

車輛行駛發(fā)動機減速斷油時，若48V動力電池組剩余電量充足，BSG電機輸出轉(zhuǎn)矩維持發(fā)動機電動怠速運轉(zhuǎn)，從而延長發(fā)動機減速斷油時間，進一步減低油耗。同時電動怠速也解決了啟停模式下車輛空調(diào)系統(tǒng)的能源提供問題。

6.智能停機

車輛行駛中，若發(fā)動機處于減速斷油且車速接近零時，BSG電機對發(fā)動機實施制動，協(xié)助發(fā)動機停機，降低“熄火抖動現(xiàn)象”。

三、48V輕混系統(tǒng)技術(shù)特點

與以往常規(guī)車型相比較，安裝48V輕混系統(tǒng)的別克英朗車，在不同工況下，可以采用上述6種運行模式，因此，其動力性、經(jīng)濟性均得到一定程度的提高且CO2排放量顯著減少。

1.燃油經(jīng)濟性有提高

安裝48V的輕混系統(tǒng)的別克英朗車，滑行或制動時，發(fā)動機減速斷油，因此，燃油經(jīng)濟性提高的同時，CO2排放量會顯著減少。廠家提供的百公里油耗數(shù)據(jù)為5.3L，對比老款車型大約有9%的下降。

2.動力性有提升

車輛加速行駛時，BSG電機作為驅(qū)動電機輔助發(fā)動機驅(qū)動車輛行駛，BSG電機最大輔助驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為20N·m、最大驅(qū)動功率為8kW，對比老款車型，在降低油耗的同時，車輛的動力響應(yīng)性也有所提高。

3.啟動迅速

車輛行駛，發(fā)動機自動啟停后，再次啟動時，48V的BSG電機作為啟動機快速啟動發(fā)動機，與常規(guī)的12V啟動系統(tǒng)比較，啟動迅速且抖動更小。

4.成本更低

與常見的豐田混聯(lián)式混合動力THS系統(tǒng)(以行星排作為發(fā)動機、電機1、電機2的動力耦合裝置)、本田智能多模式驅(qū)動i-MMD系統(tǒng)(串聯(lián)式但發(fā)動機可以單獨驅(qū)動車輛行駛)等高壓混合動力系統(tǒng)比較，48V輕混系統(tǒng)增加成本更低。在滿足法規(guī)對油耗、排放等日益嚴格要求下，對于搭載小排量發(fā)動機的車型而言，48V輕混無疑是性價很高的有效過渡解決方案，能在較少改變車輛動力系統(tǒng)的同時，實現(xiàn)動力性能與經(jīng)濟性的雙重提升。雙噴射渦輪增壓1.3T發(fā)動機+48V輕混系統(tǒng)，已安裝在通用車系的別克英朗、GL6、威朗及雪佛蘭科魯澤等多款車上。另外，豪華品牌如全新路虎極光、奔馳S和C級、奧迪A8L及A6L以及國產(chǎn)品牌中的吉利博越及繽越、長安CS55等車型都均有48V輕混車型投放市場。博世、德爾福、大陸、法雷奧等為48V輕混系統(tǒng)的主要供應(yīng)商。