48V輕混汽車動力總成結構設計

陜西工業職業技術學院汽車工程學院 程吉鵬 雷嘉豪 賈丙碩

1 48V 動力總成電氣方案設計

在12V—48V—HEV 電氣系統架構中，12V 系統和HEV 高壓系統通過兩個DC/DC 轉換器直接聯通。其中底盤系統、空調壓縮機、發動機冷卻系、加熱風窗以及再生制動系統等由48V 系統支持。ISG 電機以發電機工作時發電，產生的交流電一部分經過逆變器整流調壓后為48V 電池充電，以及部分負載供電。另外一路通過DC/DC 將48V 直流電壓轉化為12V，向12V 蓄電池充電，照明、儀表盤顯示、音響、影視等可以通過12V 電源供電。并且12V 電氣網絡不可以向48V 電氣網絡系統反灌。如圖1 所示：

圖1 12V- 48V- HEV 雙電壓電氣系統

2 48V 動力系統機構布置

48V 輕混系統是在12V 啟停系統的基礎上，增添了48V 儲能電池、雙向DC/DC 變換器、48VBSG（belt-driven starter generator）/ISG （intergrated starter generator）電機、電池管理系統。ISG 是起動和發電均由一個電機完成，而在傳統汽車上是通過起動機和發電機兩個電機實現。動力系統中的關鍵問題是ISG 電機的布置位置和傳統發動機的連接方式。依據48V 起動發電機的安裝位置進行分類，如圖2 所示。

圖2 48V 混動系統架構

2.1 安裝在發動機前端（P0）

電機與曲軸偏置布置，位于發動機前端的附件驅動系統，固定在傳統逆變器的位置上，采用的是BSG（Belt-driven Starter/Generator）電機，使用皮帶與發動機前端相連[1]。P0 結構中BSG 電機代替了傳統的發電機，對整車改動最小，用BSG 代替傳統的起動機。可以實現啟停功能、動力輔助和再生制動等功能，而且成本較低。P0 系統一個重要的優勢是通過48V 電池，可以起動BSG 電機[2]，在停機時，由BSG 電機帶動空調壓縮機工作。這種結構的缺點在于BSG 無法和發動機斷開，沒有純電動行駛模式，同時在進行能量回收時，即便關閉噴油發動機依舊運行，發動機拖拽阻力的存在使得回收能量減少。

2.2 曲軸安裝起動機（P1）

P1 結構是將ISG（Integrated Starter and Generator）安裝在發動機和離合器C1 之間，ISG 電機取代了飛輪，曲軸則類似ISG 電機轉子。在啟動時起起動機的作用，在下長坡減速制動時起發電機作用，進行能量回收，為電池充電。因此該結構支持發動機起停、制動能量回收發電功能。由于沒有皮帶滑動限制，它可以提供比BSG 更高的扭矩。P1 結構中ISG 電機與發動機直接相連，轉速與曲軸箱等，不存在傳動比，要求ISG 電機扭矩較大，則成本較高。

2.3 安裝在軸上的起動機（P2/P3）

P2 結構是在原有的動力系統基礎之上，在發動機和變速器加入電動機和兩個離合器來實現混動，屬于并聯混動。如果使用BSG 電機與變速箱輸入軸相連或者至使用減速齒輪（體積較大）也屬于P2 結構。P2 結構由于分離離合器C1 的存在，可以實現電機和發動機的分離，在純電動模式下發動機會斷開則不會被拖動，電機通過C2 向變速箱傳遞動力驅動車輛。同時由于P2 結構中在ISG 電機和變速箱之間有離合器C2，可以充分利用變速比。當發動機需要啟動時，變速箱切換到空擋，ISG 電機通過分離離合器C1 拖動發動機達到啟動轉矩。與P1 相比P2 系統能夠進行純電工作模式。

2.4 后軸安裝電機（P4）

P4 結構把電動機放在了驅動橋，直接連接驅動車輪，另外輪邊驅動也叫P4。P4 安裝的電機一種是使用鏈條或齒輪驅動前軸/后軸，另外一種可以取消輪軸用兩個輪轂電機，這種方式一方面提高了轉彎的性能，但對于電機的電控的要求極為嚴格，另一方面減少了輪軸、差速器帶來的效率損失和附加車重。P4 結構中，電機與發動機驅動的對象不一樣，不同軸。因此，車輛能夠完成四驅。但是P4 結構純電模式和純發動機模式之間切換比較困難，而車輛要能夠完成四驅，必須是切換前驅后驅，影響車輛操控性，穩定性以及舒適性。P4 與P3 布局結構類似。由于純電模式與純發動機模式間的切換不方便，P4 適用于插電混合動力或者是弱混模式，而P4 強混反而是比較少的。

3 48V 輕混系統的結構的選擇

通過對以上各種48V 輕混系統結構分析可知：48V 動力系統主要有BSG 和ISG 兩種設計方法[3]。ISG是電機安裝在發動機曲軸的后端（P1、P2、P3、）；BSG 電機安裝在發動機前端，依靠帶傳動、鏈傳動或者齒輪傳動的方式直接發動機曲軸柔性連接（P0、P4）。根據它們的與傳動軸的位置關系又可以分為同軸式和非同軸式。ISG 非同軸布置電機功率不會太大，而BSG 通過皮帶傳動有一定的能量損失。ISG 同軸式布置，需要用到兩個離合器，可以使車輛實現純電動運行。在表1 中對48V 整車結構和實現功能進行對比分析。

表1 輕混結構對比

通過對比，本文選擇將ISG 同軸布置的結構方案運用在48V 電氣系統中，也就是P2 機構。此布置方式ISG 能夠實現起動、動力輔助、制動回收和短距離純電行駛等功能。P2 系統在整車結構上無需作大的改動，在發動機和變速箱之間增添一塊電驅耦合系統即可。在電機和變速箱之間存在離合器C2，適用DCT 自動變速箱、CVT、液力變矩器自動變速箱。因此汽車原有的變速箱不需要重新設計，只需稍做調整。這樣大大縮短了產品開發周期，極大程度上降低了投資成本和風險。

4 48V 輕混動力系統的節能原理

48V 系統上午節能[4]最主要的貢獻是體現在支持加速動力輔助、制動能量回收、啟停和滑行時停機。

4.1 快速起動/ 停機功能（START/STOP）[5]

48V 具備起停功能，在城市擁堵，需要頻繁起停的工況下，在怠速的時候，ISG 電機工作，拖拽發動機運轉到一定轉速下實現發動機自動起停功能。這樣避免了發動機工作在低速大扭矩區間[6]。此外，汽車的空調系統、電子水泵等電器在發動機停機時依然可以工作。如圖3 為啟動模式下的能量流向圖。

圖3 啟動模式能量流向圖

4.2 動力輔助（BOOST）

當發動機在轉速低于額定轉速且負載較大的情況下，需求較大的輸出扭矩，此時發動機的燃燒品質和排放性能都較差。如果更換更大排量的發動機，動力性雖得到改善，但是汽車的生產成本相應的增加。汽車在需要加速、爬坡等大扭矩工況下，48V 電池給ISG 電機供電，電機提供必要的扭矩和功率，進行輔助動力，此時發動機和ISG 電機聯合驅動，保證汽車低速時大扭矩的需求。此時離合器C1 和C2 均閉合，直到電池SOC處于較小值時，48V 動力電池不再向ISG 電機提供能量，發動機單獨驅動車輛。該模式下ISG 電機提供功率輔助，在滿足動力性的情況下改善排放性能。能量流向如圖4 所示。

圖4 聯合驅動模式能量流向圖

4.3 能量回收（RECUPERATION）

傳統汽車的制動減速工況，能量大部分都是以熱能形式或者慣性損失掉。引入48V 系統后，車輛在滑行時可以使發動機停機減少油耗，同時產生的機械能通過ISG 電機發電給48V 電池充電儲存起來。在制動時的動能產生再生制動力[7]，帶動ISG 發電機工作模式，如圖5 所示，C1 斷開、C2 閉合。一方面避免了發動機反拖能量損失，另外制動的能量得到充分利用。再生制動模式減少了能量的損失和制動器的損耗，改善了整車效率。

圖5 能量回收模式能量流向圖

4.4 短距離純電行駛（SAILING/ACTIVE ENGINE- OFF COASTING）

車輛恒速行駛時，ISG 電機提供動力驅動車輛，噴油系統停止噴油。在電池電量充足、汽車處于高速巡航工況下，發動機熄火，依靠電機維持短距離的巡航。踩下加速踏板后，發動機快速切換到當前車速下對應轉速。短距離純電動過程中可以實現零排放。如圖6 所示，離合器C1 斷開，電機與變速器之間的離合器C2 閉合，避免了發動機被電機反拖造成的能量消耗，那么ISG 的動力就會高效地驅動車輪。當汽車在高速巡航時，發動機可徹底分離且關閉，ISG 電機維持車輛巡航。當再次踩下加速踏板，發動機會快速啟動，切入到當前車速驅動車輛。

圖6 短距離純電模式能量流向圖

5 總結

本章首先介紹了48V 輕度混合汽車的節能原理，分析了汽車上12V/48V 雙電壓系統的優勢以及48V 單電壓系統的不足之處，確定了48V 輕混動力系統雙電壓的電氣方案，最后詳細比較分析了P0、P1、P2、P3、P4結構的功能和布置形式，選擇P2 混合動力系統的結構布置方案，對工作模式進行了總結。