48VP0混動系統(tǒng)開發(fā)

潘圣臨，曹權佐，王建武，劉錦杰，崔婷婷

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48VP0混動系統(tǒng)開發(fā)

潘圣臨，曹權佐，王建武，劉錦杰，崔婷婷

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章以DAE原有1.5L增壓發(fā)動機為例，介紹了如何在傳統(tǒng)內燃機上進行48V混動系統(tǒng)開發(fā)、48V的系統(tǒng)功能及通過48V系統(tǒng)來提升動力系統(tǒng)經濟性的原理。最終通過臺架試驗測得節(jié)油率。結果符合預期的經濟性要求。

48V；混動系統(tǒng)；節(jié)油

1 引言

隨著油耗和排放法規(guī)的加嚴，發(fā)展新能源汽車已迫在眉睫，48V混動系統(tǒng)以實現(xiàn)簡單，成本低及較好的節(jié)油率得到了大多數(shù)國內車廠的青睞。經濟性是評價混動系統(tǒng)的一個重要指標，本文以提高經濟性為目標，對原有1.5T發(fā)動機進行48V混動系統(tǒng)開發(fā)，通過臺架試驗測得節(jié)油率。結果符合預期的經濟性要求。

2 48V混動系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)12V和48V雙電壓架構中峰值功率10kW發(fā)電機和起動機的功能。而且相較于傳統(tǒng)起發(fā)電機有更小的噪聲和更輕的振動。

系統(tǒng)還可以實現(xiàn)以下功能：

→起動功能，包括怠速起停和滑行中起動

→高效發(fā)電

→制動能量回收

→發(fā)動機驅動，電機助力

2.2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構如下圖所示，除了常規(guī)的發(fā)動機輪系外，還需要新增48V電機、48V電池、電機控制器及DCDC來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。以下為各部分的功能介紹。

圖1 48V混動系統(tǒng)架構圖

（1）48V iBSG電機

電機為皮帶驅動，包括兩個部分，帶有溫度傳感器的爪極式同步電機和后端集成的控制模塊。48V的運行電壓高于普通電機的12V電壓，可提高發(fā)電機的發(fā)電效率。

圖2 48V電機外形圖

表1 電機參數(shù)表格

（2）電機控制器

控制器負責收集并處理車輛傳感器的信號，然后根據VCU發(fā)出的信號信號進行模式選擇及相應控制。

逆變器：

逆變器集成在電機控制器上，實現(xiàn)交流和直流間的互相轉換?；谙到y(tǒng)模式的需要，逆變器提前控制雙向三相定子，從而達到雙向扭矩的實時控制。

控制模塊：

控制模塊包含內置的雙向三相電流橋和轉子勵磁塊。

DCDC（直流變壓器）

系統(tǒng)中的直流變壓器實現(xiàn)了48V電池、12V電池、電機之間的能量交換，使能量可以在整個系統(tǒng)中流動。從而實現(xiàn)發(fā)電，給蓄電池充電等多種工況。

（3）48V電池

48V電池作為額外的存儲裝置，可以存儲48V電機生成的電能，消除了經過DCDC到低壓蓄電池的損耗。同時額外的48V電池也可以延長電機在助力狀態(tài)下的工作時間。

3 系統(tǒng)功能開發(fā)

48V系統(tǒng)具有以下幾種功能：

（1）怠速起停

怠速起停功能通過兩個模式來實現(xiàn)，先進入停機助力模式，48V電機發(fā)電提供負扭矩使發(fā)動機停轉，可以把發(fā)動機的機械能轉化為電能存在電池中給48V電網或整車用電器消耗。相比于傳統(tǒng)動力車型可以回收這部分發(fā)動機的機械能。停機助力模式下電機的最大負扭矩為-44Nm，最多持續(xù)2s。

之后進入起動模式，通過48V電機拖動發(fā)動機，規(guī)避掉發(fā)動機低轉速經濟性差的區(qū)域，直接拖動到800rpm再進行噴油點火。起動扭矩可達55Nm。起動時間在0.3ms以內。

（2）助力模式

助力模式下48V電機作為電動機工作，進入扭矩控制模式，可以通過分擔一部分發(fā)動機的負載來使發(fā)動機進入高效區(qū)從而省油。助力模式不僅可以通過使發(fā)動機進入高效區(qū)而省油，還可以通過助力拓寬動力系統(tǒng)的外特性，提高車輛的動力性。當電機轉速在0-1500rpm范圍內，電機的助力扭矩最高可達55Nm；電機轉速處于1500rpm-18000rpm之間時，電機的助力扭矩最高可達44Nm。

（3）能量回收模式

能量回收模式在以下兩種情況下激活，一種情況為剎車，此時為制動能量回收；另一種情況為滑行，此時為滑行能量回收。

能量回收模式下電機進入扭矩控制模式，以剎車踏板及車速為輸入進行相應的扭矩控制，將非混動汽車中浪費的動能回收，轉化為電能儲存在電池中，用以整車用電器消耗或是助力模式下使用。提高發(fā)動機經濟性。能量回收模式下電機實行扭矩控制，最大扭矩可達44Nm，扭矩可正可負。

（4）發(fā)電模式

當電機不處于以上三種模式時，為電機的發(fā)電模式，相比于12V工作電壓的發(fā)電機，48V電機具有更高的發(fā)電效率，最高效率高達95%。發(fā)電模式的最大發(fā)電扭矩為-30Nm。

基于以上幾種功能，搭載48V混動系統(tǒng)的發(fā)動機經濟性相比于原機提高了9%-12%。

（5）小結

在這一章中，對48V的系統(tǒng)功能進行詳細的闡述。明確了各個模式可以實現(xiàn)的功能、如何通過這些功能來節(jié)油、以及在這些模式下48V電機可以提供的負載范圍。為下文的試驗仿真奠定了基礎。

4 輪系開發(fā)

4.1 初步校核

相比于原型機輪系，由于48V電機的介入，整個輪系的負載增大且電機負載為雙向，需要對整個輪系的張緊方式和包角進行校核，防止出現(xiàn)皮帶打滑的情況。

對輪系進行初步校核，結果如下：

評估結果：新增雙向張緊器來調節(jié)皮帶張力、增大主動輪包角；同時提高皮帶強度。以滿足輪系負載增加且負載由單向變?yōu)殡p向的要求。

4.2 布置空間校核

由于48V電機的尺寸大于之前的12V發(fā)電機，系統(tǒng)輪系需要更大的布置空間，需要對整個輪系的布置邊界進行重新校核，輪系邊界應考慮在極限位置時的邊界需求。校核時不僅應考慮發(fā)動機零件，還應考慮在整車搭載中機艙邊界對輪系邊界的要求。

結合4.1和4.2的校核結果，更改前后的輪系對比如下圖所示：

圖3 15T原機發(fā)動機輪系

圖4 48V發(fā)動機輪系

4.3 輪系動態(tài)校核

在系統(tǒng)布置邊界校核完畢后，接下來進行輪系的動態(tài)仿真。以系統(tǒng)負載、各轉動件轉動慣量等作為輸入，校核在所有運行工況下的皮帶強度、軸荷、張緊器擺動、皮帶打滑率、皮帶局部抖動量。如下圖為電機助力模式下的全轉速水泵皮帶輪軸荷的仿真結果。

圖5 助力模式下水泵皮帶輪軸荷

從上圖可以看出，在低轉速下，水泵皮帶輪負載大幅增加。對軸承的強度進行評估，認為原有水泵軸承無法滿足輪系載荷要求，需要加粗水泵軸承，并根據水泵變化更改水泵皮帶輪。

4.4 小結

本章從三個方面對48V系統(tǒng)輪系進行了校核：第一步初步校核，明確輪系零件，為下一步的布置邊界確認奠定基礎；第二步布置空間校核，根據機艙邊界和發(fā)動機邊界進行輪系布置，確保輪系可以布置；第三步動態(tài)校核，在確定了輪系組成和空間布置之后我們根據輪系載荷分析各個零部件的可靠性，對于可靠性有問題的零件進行適應性開發(fā)，滿足輪系功能的負載需求。

最終完成48V輪系設計。

5 系統(tǒng)試驗驗證

5.1發(fā)動機參數(shù)

5.2 試驗結果

5.2.1 動力性驗證

圖6 發(fā)動機總成圖

表6 發(fā)動機參數(shù)表

試驗方法：發(fā)動機運行在外特性工況，48V 電機以最大能力輸出,此時測量外特性扭矩即得到發(fā)動機外特性。

扭矩優(yōu)化值系統(tǒng)外特性提升如上圖所示，黑色線為15T原機外特性，綠色線為搭載48V P0混動系統(tǒng)后的外特性，通過搭載48V混動系統(tǒng)使系統(tǒng)外特性有了明顯提升，尤其是低速外特性，有了30%的提升。

百公里加速也從12.8s減少到了10.8s，縮短了兩秒。

5.2.2 系統(tǒng)經濟性驗證

原機油耗測試。

試驗方法：臺架以NEDC 法規(guī)車速為控制目標，要求符合法規(guī)工況對車速的公差要求，經過調整動力總成臺架可以滿足試驗要求。

試驗條件：發(fā)動機無節(jié)溫器，中冷溫度控制45degC，使用原車進排氣系統(tǒng)、無12V 負載（12V 供電由外部電源提供），試驗時保障起動時發(fā)動機水溫＜30℃。

搭載48V系統(tǒng)后的整機油耗測試。

試驗方法：采用NEDC能量平衡測試工況。

試驗條件與原機油耗測試相同。

綜上，與原機油耗進行對比，節(jié)油率為9%-12%，符合理論值。

5.3 小結

本章對搭載48V后的發(fā)動機性能、經濟性進行了測試，與搭載前的發(fā)動機進行對比，測試結果表明搭載了48V后的發(fā)動機相比于搭載前，有9%-12%的經濟性提升；同時低速扭矩提升了30%，百公里加速時間從12.8s減少到了10.8s，縮短了2s。

6 結論

本文介紹了一種新型的混動系統(tǒng)——48V P0混動系統(tǒng)，并對它的架構和系統(tǒng)功能進行了詳細的闡述。而后基于系統(tǒng)功能，說明了系統(tǒng)在節(jié)油率和動力性方面的貢獻。

之后以DAE1.5L渦輪增壓發(fā)動機為例，進行混合動力系統(tǒng)的搭建，明確了48V系統(tǒng)的搭建過程和過程中應注意的問題。

最終，通過臺架試驗的方法，對系統(tǒng)在節(jié)油率和動力性方面的貢獻進行驗證，試驗結果表明搭載了48V系統(tǒng)后的15T發(fā)動機相比原機經濟性有9%-12%的提升，低速扭矩有30%的提升，百公里加速從12.8s縮短至10.8s。節(jié)油率的試驗結果與理論預估符合良好。

The development of 48V P0hybrid system

Pan Shenglin, Cao Quanzuo, Wang Jianwu, Liu Jinjie, Cui Tingting

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

This paper use DAE’s 1.5 litre turbocharged engine for example, which introduce how to develop 48V hybrid system in traditional internal combustion engine, the function of the system and how the system improves the economic model of the powertrain. Finally, we measured the oil saving rate by the bench experiment and the results met the expected economic requirements.

48V;hybrid system;fuel saving

A

1671-7988(2018)18-183-04

U464

A

1671-7988(2018)18-183-04

CLC NO.: U464

潘圣臨，女，1980年出生，黑龍江哈爾濱人，大學本科，高級工程師，研究領域：混動P0、P2架構產品設計和應用。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.062