萬 欣,邵 波,孟 成,鄭艷剛,孫 燦
(北京汽車集團(tuán)越野車有限公司,北京 101300)
隨著國家新能源車輛補貼退坡,電池成本居高不下,越來越多的車企選擇48V輕混系統(tǒng)來適應(yīng)越來越高的排放標(biāo)準(zhǔn)。48V輕混系統(tǒng)具有系統(tǒng)成熟度高、整車適配性強、節(jié)油率提升明顯、投入成本低的特點。越野車具有使用地域廣、迎風(fēng)面積大、風(fēng)阻大、車重高、滾動阻力大等特點,為解決車輛高油耗問題,對動力系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計開發(fā),選用2.0T發(fā)動機搭載48V輕混P0架構(gòu) (圖1),選用BSG啟動/發(fā)電一體電機[1]。
48V P0架構(gòu)是通過皮帶連接BSG電機與發(fā)動機,電機本身不驅(qū)動車輛行駛,而是作為對發(fā)動機的補充。當(dāng)發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速、低扭矩區(qū)域工作時,通過對48V電池充電,拉升發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù),使其運行在最佳油耗線附近。當(dāng)發(fā)動機處于高轉(zhuǎn)速、高扭矩工作時,48V電池放電增扭,降低發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù),使發(fā)動機運行曲線回落到最佳油耗線附近。通過增加48V輕混系統(tǒng)使發(fā)動機運行保持在最佳油耗線附近,進(jìn)而達(dá)到降低油耗的目的。不同工況下發(fā)動機運行曲線如圖2所示。
圖2 不同工況下發(fā)動機運行曲線
作為48V輕混系統(tǒng)的動力源,發(fā)動機與電機的匹配至關(guān)重要,通常發(fā)動機由于慣量大,瞬時響應(yīng)速度慢,組合響應(yīng)較快的電機可以彌補發(fā)動機的不足。越野車迎風(fēng)面積大、車重高,在行駛時需要克服空氣阻力、滾動阻力、坡道阻力等。表1為發(fā)動機、電機參數(shù)表。
表1 發(fā)動機、電機參數(shù)表
目前市場上常用的48V電池有3種,分別是磷酸鐵鋰、三元鋰及以鈦酸鋰為負(fù)極材料的鈦酸鋰電芯。表2為3種電芯產(chǎn)品的性能對照。
48V輕混車輛在行駛時,發(fā)動機應(yīng)盡可能工作在高效能區(qū),并且要維持SOC平衡。在WLTC工況下,仿真分析電機運行曲線見圖3。
通過分析圖3,在48V系統(tǒng)控制策略下,電機運行在高效率區(qū)間 (圖3黃色區(qū)域),電機的運行效率提高[2]。
在WLTC工況下,仿真分析48V電池工作情況見圖4。圖4紅色區(qū)域為電池的最大持續(xù)充放電功率,在電池可用SOC范圍內(nèi),其功率滿足最大持續(xù)充放電功率,48V系統(tǒng)可以滿足WLTC排放要求,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
表2 3種電芯產(chǎn)品的性能對照
圖3 WLTC工況下電機的運行曲線
圖448 V電池的WLTC仿真分析
車輛加速或爬坡電機助力:電機驅(qū)動功率為峰值13kW時,48V電池放電;車輛加速或爬坡多在低擋狀態(tài)下行駛,從燃油經(jīng)濟性方面考慮希望此時BSG電機以大扭矩輸出,相應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不能過多提升,BSG電機轉(zhuǎn)速在2000r/min或以上工作,效率以0.7計算,以一個周期為30s計算電池放電所需:
車輛制動,電機放電:制動能量回收,BSG電機功率為峰值16kW,48V電池充電;車輛制動能量回收一般在車速較高狀態(tài)下行駛,由于傳動比的關(guān)系,BSG轉(zhuǎn)速較高,以7000r/min計算,效率以0.8計算,以一個制動周期為20s計算電池回收能量:
根據(jù)上述公式 (1)、公式 (2)計算所得數(shù)值,圓整后電池可用能力為155Wh。
通過仿真分析計算,可用能量大于155Wh的電池箱體均可以滿足本車輛使用,并且48V輕混系統(tǒng)可以顯著優(yōu)化發(fā)動機工作點,車輛操縱平順性、穩(wěn)定性提升,車輛節(jié)油效果明顯。48V輕混系統(tǒng)可實現(xiàn)有限的成本投入,大幅度降低車輛的能耗[3]。