48 V-BSG混合动力系统研究

张秋新，祖润青

（无锡英捷汽车科技有限公司，江苏 无锡 214000）

由于城市汽车保有量的增加，随之带来的燃油消耗和尾气排放问题日益成为社会关注的焦点，为了实现汽车节能减排而采用混合动力技术成为未来汽车发展方向的关键。

混合动力汽车 （HEV）以先进的控制技术为纽带，是传统燃油汽车与纯电动汽车的一种过渡性车型，其关键技术涵盖机电工程、电力电子、电化学、控制工程、汽车电子和车辆工程等多学科，混合动力汽车将内燃机、电动机、传动系统与一定容量的蓄电池通过控制系统相组合，使发动机工作在高效区，可以实现起停、电动助力、滑行、制动能量回收等功能。BSG（皮带传动一体化起动／发电机）作为混合动力汽车的一种形式，CO2可降低8～20 g／km，整车油耗降低10%～15%，驾驶性和车辆NVH性能明显改善。

1 混合动力分类

1）按“混合程度”进行划分，见表1。

2）按“动力及传递方式”进行划分，见表2。

3）按“电机布置位置”进行划分，见表3，系统结构图见图4。

表1 按 “混合程度”分类

表2 按 “动力及传递方式”分类

图1 串联式

图2 并联式

图3 混联式

图4 电机布置位置

表3 按 “电机布置位置”进行划分

2 48 V-BSG系统物理架构及工作原理

48 V-BSG系统就是以BSG电机为基础具有起动、发电、助力和能量回收等功能的混动系统，BSG电机一般布置在发动机的前端，所以对于单独搭载该技术的混动车也称之为P0结构。48 V-BSG混合动力物理架构如图5所示，与传统车的区别在于：发电机改成了48 V-BSG电机，增加了DC／DC和动力电池，从而实现混合动力控制。该混合动力系统保留了传统车上的12 V起动电动机，以保证温度过低时发动机能正常起动。

图5 48V-BSG物理架构

48 V-BSG系统基本功能如下。

1）起停发动机：要求BSG系统汽车在等待红灯或者堵车等情况下暂停发动机工作，当车辆感受到驾驶员的起步意图时，快速起动发动机。BSG系统比传统的起停系统具有更好的舒适性、更短的起动时间、更低的震动和噪声。

2）助力：当驾驶员需求扭矩超出发动机可提供的上限时，BSG电机提供额外的加速助力扭矩／功率。

3）能量回收：当驾驶员制动车辆时，BSG电机通过制动能量发电给蓄电池充电，实现能量回收；滑行时，同样也能实现能量回收。

4）发电：BSG作为48 V发电机，对48 V动力电池充电以及通过DC／DC给12 V低压蓄电池充电，保持整车电网的能量平衡。

5）工作点转移：在电池电量合适时，BSG电机通过附加电动或发电扭矩，调整发动机的工作点使其工作在较为高效的区域。

3 48 V-BSG系统动力参数设计

BSG混合动力轿车以发动机为主要动力源，电机系统在发动机正常运转情况下不工作。根据现有条件，经计算分析后选择的发动机为某型1.5 T汽油机，其最大功率为77 kW（6000 r／min），最大扭矩为147 Nm （4300 r／min）。

3.1 BSG电机参数设计

BSG电机一方面作为电动机快速拖动发动机达到怠速以上转速，另一方面作为发电机给蓄电池充电。当发动机处于怠速工况时间较长时，控制系统自动使发动机和BSG电机停止工作；需要起步时，BSG电机快速起动发动机，实现发动机自动起停；正常行驶工况下，BSG电机和常规车用发电机一样由发动机驱动发电，给蓄电池充电。当BSG电机作为电动机实现发动机高转速起动时，要求电机在较高转速时具有较高的转矩，其功率P需满足起动功率P1和拖动发动机达到怠速以上转速 （设计参数为1100 r／min）时所需功率P2的要求，计算公式如下。

式中：MQ——发动机起动时阻力矩；NQ——最低起动转速；I——发动机运动部件当量转动惯量；ω——相对于怠速以上转速时的曲轴角速度；Δt——发动机从起动到怠速以上转速所需时间 （设计参数为0.1 s）。

MQ由经验公式MQ=CL求取，其中，C为不同发动机的系数；L为发动机排量；I为常数。由此电机的额定功率P可确定。电机的额定转速n由公式n≥9550PMQ确定。

经计算可知，所设计的电机额定功率为4 kW （峰值功率为11.5 kW），额定转速为3600 r／min（最高转速为18000 r／min）。其转速-转矩特性如图6所示。

图6 转速-转矩特性

3.2 DC／DC参数设计

1）整车电功率计算：整车电功率是进行DC／DC选型的重要依据，整车实际用电功率、电流公式如下。

式中：K——冗余系数；P——整车电器实际功率，W；I——整车电器实际电流，A；a——使用频度系数。

2）DC／DC选用原则：①DC／DC输出功率大于冬季雪夜、夏季雨夜最大负荷 （一般取为110%～130%）；②DC／DC峰值功率不小于其额定功率的1.2倍，峰值持续时间不小于6min。

根据上述，计算后的DC／DC输出功率3 kW，其参数如表4所示。

3.3 48 V电池包参数设计

电源系统最大输出功率与电流确定。根据确定的电机功率，电源系统需求最大功率为

表4 DC／DC参数

式中：Pper——电机额定功率，kW；ηc——电机转换效率，这里取0.9；ηm——控制器效率，这里取0.95。经计算得出电源系统需求最大功率为11.5 kW。系统输出最大电流如下。

式中：U——额定电压，V；α——设计冗余系数，通常选择1.3；β——额定电压下降系数，这里取10%。电源系统电量的确定：根据最大输出电流、输出电压和持续放电时间计算得出：

式中：U——额定电压，V；T——BSG电机单次助力持续工作时间，s；N——BSG电机助力次数。经与供应商CATL确定，选取平台化电池包，最大可用电量468 Wh。

4 试验结果及分析

1）动力性能试验

根据GB／T12545-90《汽车燃油消耗量试验方法》和GB11642-89《轻型汽车排气污染物测量方法》的要求，在转鼓试验台上按照典型循环行驶试验工况模拟实际汽车运行状况进行油耗测量和排放污染物检测。

按NEDC工况连续进行试验后，试验结果如表5所示，48 V-BSG系统燃油消耗为6.89 L／100 km，比SSM系统的7.85 L／100 km下降了12%，发动机的燃油经济性明显提高；CO2排放由172.7 g／km降低到159.7 g／km，排放物改善明显。

表5 油耗、CO2试验结果

2）噪声和震动对比

根据GB 1495-2002《加速行驶车外噪声限值及测量方法》和GB／T 13860-1992《地面车辆机械振动测量数据的表述方法》的要求，在专用试验测量场地进行48V-BSG系统与传统车系统对比试验，试验数据如图7所示。

图7 在专用试验测量场地进行48V-BSG系统与传统车系统对比试验

从图7可以看出，采用48V-BSG比SSM起停系统具有更低的震动和噪声，具有更好的舒适性。