張秋新，祖潤青

（無錫英捷汽車科技有限公司，江蘇 無錫 214000）

由于城市汽車保有量的增加，隨之帶來的燃油消耗和尾氣排放問題日益成為社會關(guān)注的焦點，為了實現(xiàn)汽車節(jié)能減排而采用混合動力技術(shù)成為未來汽車發(fā)展方向的關(guān)鍵。

混合動力汽車 （HEV）以先進的控制技術(shù)為紐帶，是傳統(tǒng)燃油汽車與純電動汽車的一種過渡性車型，其關(guān)鍵技術(shù)涵蓋機電工程、電力電子、電化學(xué)、控制工程、汽車電子和車輛工程等多學(xué)科，混合動力汽車將內(nèi)燃機、電動機、傳動系統(tǒng)與一定容量的蓄電池通過控制系統(tǒng)相組合，使發(fā)動機工作在高效區(qū)，可以實現(xiàn)起停、電動助力、滑行、制動能量回收等功能。BSG（皮帶傳動一體化起動／發(fā)電機）作為混合動力汽車的一種形式，CO2可降低8～20 g／km，整車油耗降低10%～15%，駕駛性和車輛NVH性能明顯改善。

1 混合動力分類

1）按“混合程度”進行劃分，見表1。

2）按“動力及傳遞方式”進行劃分，見表2。

3）按“電機布置位置”進行劃分，見表3，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

表1 按 “混合程度”分類

表2 按 “動力及傳遞方式”分類

圖1 串聯(lián)式

圖2 并聯(lián)式

圖3 混聯(lián)式

圖4 電機布置位置

表3 按 “電機布置位置”進行劃分

2 48 V-BSG系統(tǒng)物理架構(gòu)及工作原理

48 V-BSG系統(tǒng)就是以BSG電機為基礎(chǔ)具有起動、發(fā)電、助力和能量回收等功能的混動系統(tǒng)，BSG電機一般布置在發(fā)動機的前端，所以對于單獨搭載該技術(shù)的混動車也稱之為P0結(jié)構(gòu)。48 V-BSG混合動力物理架構(gòu)如圖5所示，與傳統(tǒng)車的區(qū)別在于：發(fā)電機改成了48 V-BSG電機，增加了DC／DC和動力電池，從而實現(xiàn)混合動力控制。該混合動力系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)車上的12 V起動電動機，以保證溫度過低時發(fā)動機能正常起動。

圖5 48V-BSG物理架構(gòu)

48 V-BSG系統(tǒng)基本功能如下。

1）起停發(fā)動機：要求BSG系統(tǒng)汽車在等待紅燈或者堵車等情況下暫停發(fā)動機工作，當(dāng)車輛感受到駕駛員的起步意圖時，快速起動發(fā)動機。BSG系統(tǒng)比傳統(tǒng)的起停系統(tǒng)具有更好的舒適性、更短的起動時間、更低的震動和噪聲。

2）助力：當(dāng)駕駛員需求扭矩超出發(fā)動機可提供的上限時，BSG電機提供額外的加速助力扭矩／功率。

3）能量回收：當(dāng)駕駛員制動車輛時，BSG電機通過制動能量發(fā)電給蓄電池充電，實現(xiàn)能量回收；滑行時，同樣也能實現(xiàn)能量回收。

4）發(fā)電：BSG作為48 V發(fā)電機，對48 V動力電池充電以及通過DC／DC給12 V低壓蓄電池充電，保持整車電網(wǎng)的能量平衡。

5）工作點轉(zhuǎn)移：在電池電量合適時，BSG電機通過附加電動或發(fā)電扭矩，調(diào)整發(fā)動機的工作點使其工作在較為高效的區(qū)域。

3 48 V-BSG系統(tǒng)動力參數(shù)設(shè)計

BSG混合動力轎車以發(fā)動機為主要動力源，電機系統(tǒng)在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)情況下不工作。根據(jù)現(xiàn)有條件，經(jīng)計算分析后選擇的發(fā)動機為某型1.5 T汽油機，其最大功率為77 kW（6000 r／min），最大扭矩為147 Nm （4300 r／min）。

3.1 BSG電機參數(shù)設(shè)計

BSG電機一方面作為電動機快速拖動發(fā)動機達到怠速以上轉(zhuǎn)速，另一方面作為發(fā)電機給蓄電池充電。當(dāng)發(fā)動機處于怠速工況時間較長時，控制系統(tǒng)自動使發(fā)動機和BSG電機停止工作；需要起步時，BSG電機快速起動發(fā)動機，實現(xiàn)發(fā)動機自動起停；正常行駛工況下，BSG電機和常規(guī)車用發(fā)電機一樣由發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電，給蓄電池充電。當(dāng)BSG電機作為電動機實現(xiàn)發(fā)動機高轉(zhuǎn)速起動時，要求電機在較高轉(zhuǎn)速時具有較高的轉(zhuǎn)矩，其功率P需滿足起動功率P1和拖動發(fā)動機達到怠速以上轉(zhuǎn)速 （設(shè)計參數(shù)為1100 r／min）時所需功率P2的要求，計算公式如下。

式中：MQ——發(fā)動機起動時阻力矩；NQ——最低起動轉(zhuǎn)速；I——發(fā)動機運動部件當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量；ω——相對于怠速以上轉(zhuǎn)速時的曲軸角速度；Δt——發(fā)動機從起動到怠速以上轉(zhuǎn)速所需時間 （設(shè)計參數(shù)為0.1 s）。

MQ由經(jīng)驗公式MQ=CL求取，其中，C為不同發(fā)動機的系數(shù)；L為發(fā)動機排量；I為常數(shù)。由此電機的額定功率P可確定。電機的額定轉(zhuǎn)速n由公式n≥9550PMQ確定。

經(jīng)計算可知，所設(shè)計的電機額定功率為4 kW （峰值功率為11.5 kW），額定轉(zhuǎn)速為3600 r／min（最高轉(zhuǎn)速為18000 r／min）。其轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性

3.2 DC／DC參數(shù)設(shè)計

1）整車電功率計算：整車電功率是進行DC／DC選型的重要依據(jù)，整車實際用電功率、電流公式如下。

式中：K——冗余系數(shù)；P——整車電器實際功率，W；I——整車電器實際電流，A；a——使用頻度系數(shù)。

2）DC／DC選用原則：①DC／DC輸出功率大于冬季雪夜、夏季雨夜最大負荷 （一般取為110%～130%）；②DC／DC峰值功率不小于其額定功率的1.2倍，峰值持續(xù)時間不小于6min。

根據(jù)上述，計算后的DC／DC輸出功率3 kW，其參數(shù)如表4所示。

3.3 48 V電池包參數(shù)設(shè)計

電源系統(tǒng)最大輸出功率與電流確定。根據(jù)確定的電機功率，電源系統(tǒng)需求最大功率為

表4 DC／DC參數(shù)

式中：Pper——電機額定功率，kW；ηc——電機轉(zhuǎn)換效率，這里取0.9；ηm——控制器效率，這里取0.95。經(jīng)計算得出電源系統(tǒng)需求最大功率為11.5 kW。系統(tǒng)輸出最大電流如下。

式中：U——額定電壓，V；α——設(shè)計冗余系數(shù)，通常選擇1.3；β——額定電壓下降系數(shù)，這里取10%。電源系統(tǒng)電量的確定：根據(jù)最大輸出電流、輸出電壓和持續(xù)放電時間計算得出：

式中：U——額定電壓，V；T——BSG電機單次助力持續(xù)工作時間，s；N——BSG電機助力次數(shù)。經(jīng)與供應(yīng)商CATL確定，選取平臺化電池包，最大可用電量468 Wh。

4 試驗結(jié)果及分析

1）動力性能試驗

根據(jù)GB／T12545-90《汽車燃油消耗量試驗方法》和GB11642-89《輕型汽車排氣污染物測量方法》的要求，在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上按照典型循環(huán)行駛試驗工況模擬實際汽車運行狀況進行油耗測量和排放污染物檢測。

按NEDC工況連續(xù)進行試驗后，試驗結(jié)果如表5所示，48 V-BSG系統(tǒng)燃油消耗為6.89 L／100 km，比SSM系統(tǒng)的7.85 L／100 km下降了12%，發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性明顯提高；CO2排放由172.7 g／km降低到159.7 g／km，排放物改善明顯。

表5 油耗、CO2試驗結(jié)果

2）噪聲和震動對比

根據(jù)GB 1495-2002《加速行駛車外噪聲限值及測量方法》和GB／T 13860-1992《地面車輛機械振動測量數(shù)據(jù)的表述方法》的要求，在專用試驗測量場地進行48V-BSG系統(tǒng)與傳統(tǒng)車系統(tǒng)對比試驗，試驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 在專用試驗測量場地進行48V-BSG系統(tǒng)與傳統(tǒng)車系統(tǒng)對比試驗

從圖7可以看出，采用48V-BSG比SSM起停系統(tǒng)具有更低的震動和噪聲，具有更好的舒適性。