48 V皮带式启动发电一体机开发

汪若英，席安静

（上海法雷奥汽车电器系统有限公司，上海 201203）

1 背景介绍

中国《节能与新能源汽车产业发展规划 （2012-2020）》明确规定，2020年燃油乘用车平均油耗应在5.0 L／100 km，对应二氧化碳排放约为120g／km，节能型汽车在4.5L／100km。欧盟要求2020年乘用车平均油耗降低至4 L／100 km左右，CO2排放量降至95 g／km；美国要求2025年轻型汽车的平均油耗达到4.3 L／100km左右；日本提出了至2020年乘用车平均燃料经济性水平达到4.9 L／100km。随着油耗和排放法律法规的日益严苛，世界上所有整车厂和零部件供应商都在寻找能够满足法规要求的动力总成解决方案。

2017年9月，工信部等五部委联合公布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》，通过积分的形式来引导企业实现燃油车燃料消耗阶段目标值，促进发展新能源车型。2016年10月，中国汽车工程学会年会上，《节能与新能源汽车技术路线图》发布，“48 V系统开发”是节能汽车技术之一。由于这项技术具有安全性高、技术成本增加低、有较高节油率的特点，根据HIS Markit的相关预测，2025年时搭载48 V弱混系统的车辆将会达到17.9%，2030年这一数字将会达到36.2%。

48 V电气系统与12 V或高压电气系统相比，具备以下优势。

1）相比于300 V高压系统，48 V系统电压更安全。60 V属于安全极限电压限值，是高压绝缘隔离要求的安全限度。高于此电压限值，汽车设计需要着重考虑车内乘客的安全性问题，指定相关安全措施来保护乘客避免受到伤害，因此其开发的复杂程度和开发成本会大幅度提高。VDA320标准中规定了48 V系统的最大直流电压幅值为54 V，符合安全电压范围，对车内乘客不会造成人身伤害。

2）技术成本增加低。48 V系统没有完全摒弃车载12 V电气系统，利用48 V皮带式起动发电一体机代替原有12 V传统发电机，同时增加了独立48 V电气网络，原有车载电气网络可以继续使用，整车改动小，开发成本增加较低。

3）实现更好的娱乐和舒适性。随着人类对汽车车载娱乐及舒适需求的不断增加，车内娱乐和信息系统的不断进化，车载用电设备的数量及其功率消耗必定会大幅度增加。相比于传统12 V电压供电，48 V系统可以提供更高的电压等级及功率输出，因此车载高功率需求的用电设备将会逐步使用48 V供电，这些系统包括加热系统，如座椅加热、前后挡风玻璃除霜器及鼓风机等；制冷系统，如空调压缩机、发动机冷却风扇等；供给系统，如水泵和燃油泵等；辅助驾驶系统，如电动助力转向系统、主动式悬架转向系统和前后挡风玻璃雨刮等。利用48 V系统可在发动机关闭时以上设备保持正常使用，这是传统12 V电气系统难以实现的功能优势。

48 V皮带式启动发电一体机作为48 V系统中最为核心的零部件，需要满足电机与控制器一体化集成设计，满足发动机舱恶劣环境等多重设计约束。下文详细介绍法雷奥汽车电器有限公司开发的启发电一体机的电机及控制器结构及功能。

2 48 V系统分类及组成

图1 混动系统架构

P0架构的48 V系统一般包括48 V锂电池，48 V-12 V DCDC转换器，48 V皮带式启动发电一体机和整车控制系统。相对于传统12 V整车电气架构，取消了原有的12 V交流发电机。如图2所示。

图2 48 V系统电气网络组成

3 结构及功能

48 V启发电一体机的电机部分包含两个最基本的组件：爪极式混合励磁同步电机本体，集成功率电子和软、硬件控制功能的控制器。如图3所示。

图3 48 V启发电一体机示意图

如图4所示，电机转子包含了转子轴，前后爪极，风叶，集电环，前、后轴承，稀土磁条以及转子线圈。

如图1所示，按照电机安装位置的不同，48 V系统可以分为与发动机通过皮带轮连接的P0架构；置于变速器之前，与发动机曲轴相连的P1架构；置于发动机和变速器之间的P2架构；置于变速器输出端的P3架构；以及用于后桥驱动的P4架构。

图4 转子总成

如图5所示，电机定子为双三相结构，采用扁铜线绕线式工艺，可大幅提高定子槽满率和铜线的利用率，降低铜线用量，提高电机效率。

图5 定子总成

表1 电机参数及性能数据

表1为电机相关参数及性能数据。从数据中可以看出，在有限的空间下，电机实现了较高性能的输出。

电机控制器主要用来精确控制电机，根据上层控制器的需求，输出所需的扭矩、转速和电压，同时在遇到故障情况时，能够保护整个系统的运行。图6为控制器的硬件结构图。

电机控制器的硬件主要包括以下几个组成部分：包含MOSFET功率模块可实现双向整流、逆变功能的功率电路；控制励磁电流同时具备快速退磁功能的励磁电路；传导和释放控制器热量的散热器；直流侧用以降低交流脉动纹波系数，提升高效平滑直流输出的滤波电容模块；位置传感器；包含单片机，用来实现电机启动、发电以及扭矩控制功能的控制电路。

功率电路包括双三相功率电桥和转子励磁电桥，其主要目的是实时响应驱动电路发出的驱动信号，实现直流交流的双向高效转换。电路的主要组成部分有：包含低导通电阻MOSFET的双向全桥电路，供转子电流且具有自我保护功能的MOSFET桥式电路，用以测量功率电路温度的测量机诊断保护电路。

图6 控制器硬件结构图

控制电路主要用来采集上层控制器发出的控制信号，如图6所示控制板主要包括电源调理电路，多核单片机，CAN通讯收发电路，电压、温度、电流采集电路，以及MOSFET驱动电路等。根据上位机发出的模式请求，控制电路通过矢量控制驱动双三相功率单元，从而使得助力和发电扭矩得以实时控制。

电机控制器的软件开发完全按照AUTOSAR的标准架构进行开发，实现以下功能。

1） 自动启停 （START／STOP） 红绿灯车辆静止状态下，整车控制器将会使发动机处于关闭状态，而在采集到驾驶员的前进意图时，整车控制器将会控制启动发电一体机利用在48 V锂电池中存储的能量，将发动机快速平稳地启动。电机最大输出55 Nm的正扭矩启动发动机，通过合理的标定，启动时间在300 ms以内迅速完成。

2）动力辅助 （BOOST） 由于48 V皮带式启发一体机可以将锂电池中电能转化为助力整车加速的机械能，因此在整车提速阶段，电机的辅助动力能弥补发动机动力的不足，实现不损失动力的情况下有效降低排放。

3）能量回收 （RECUPERATION） 能量回收可以将机械能转化为电能，在整车制动或者正常运行工况下，电机将负扭矩下的电能整流并存储到锂电池中，同时可以提供车载电子负载所需的电能。

4） 滑行 （SAILING／ACTIVE ENGINE-OFF COASTING） 在车辆恒速运行并且电池电量充足的情况下，关闭发动机喷油系统，依靠电机来维持车辆运行。电机提供的动力用来抵消行驶阻力以及发动机的拖拽阻力。当再次踩下油门踏板，发动机会迅速启动，平滑切入到当前车速。

5） 辅助停机 （ENGINE STOP ASSISTANT） 当整车减速停车时，可通过辅助停机功能将电池电能转换为制动扭矩，电机控制发动机转速，从而实现发动机快速、舒适停机。

6）主动放电功能 （DISCHARGE） 整车下电前，可使用主动放电功能迅速降低48 V皮带式起动发电一体机直流侧电压，确保整车安全下电。

7）故障诊断 （DIAGNOSTIC） 为了确保电机在出现故障时能够很好地保护自身及系统，48 V皮带式起动发电一体机具备故障管理、在线故障检测、存储及故障上传等功能，包含相关的电路诊断，合理性诊断，比如过压、过流、过热及输入传感器和输出执行器的故障诊断。发生故障时，电机将会通过在励磁回路实现快速退磁，同时打开功率侧的所有MOSFET，迅速进入安全状态。

通过实车测试，48 V起动发电一体机的最大效率可以达到85%，搭载该电机的整车在NEDC工况下节油率达到10%～15%。

4 总结

48 V系统具有安全性高，整车开发追加成本低，实现更好的娱乐和舒适性的优点，值得大力推广。