48 V輕度混合動力系統(tǒng)故障模式研究及臺架驗(yàn)證

崔華芳，張明朗，王培培

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院動力傳動試驗(yàn)部，廣東 深圳 518118）

48 V BSG輕度混合動力汽車是靠皮帶傳動一體化起動／發(fā)電機(jī)BSG（Belt Starter Generator）汽車，電機(jī)與發(fā)動機(jī)曲軸通過皮帶傳遞動力，通過皮帶驅(qū)動一體化起動／發(fā)電機(jī)，能夠有效降低汽車的燃油消耗和改善汽車排放。因BSG輕度混合動力汽車具有發(fā)動機(jī)怠速停機(jī)、智能啟動、加速助力及制動能量回收等功能，對汽車電池性能及整車電能管理系統(tǒng)提出了更高的要求，要求電池具有頻繁啟動發(fā)動機(jī)的性能，要求具有智能化的電池能量管理系統(tǒng)和失效模式預(yù)防系統(tǒng)。本文主要針對某BSG輕度混合動力車型的電池及電池能量管理系統(tǒng)主要的潛在失效模式進(jìn)行了研究分析，在混合動力總成試驗(yàn)臺架上模擬各類實(shí)車故障失效模式的實(shí)車運(yùn)行狀態(tài)，并對各失效模式進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)功用

傳統(tǒng)汽油機(jī)車輛的發(fā)電機(jī)是汽車的主要電源，其功用是在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) （怠速以上），向所有用電設(shè)備供電，同時(shí)向鉛酸蓄電池充電，其工作原理圖見圖1。該類汽車一般不具有檢測電池性能的電池管理系統(tǒng)，通過調(diào)整發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓可防止電池過充，但不能防止電池過放。在汽車行駛過程中，主要由發(fā)電機(jī)通過調(diào)節(jié)器給整車電氣設(shè)備供電，此時(shí)蓄電池發(fā)生故障，并不影響汽車的繼續(xù)行駛。

圖1 傳統(tǒng)燃油車發(fā)電啟動部分工作示意圖

而BSG輕度混合動力汽車是采用BSG電機(jī)取代傳統(tǒng)汽車的發(fā)電機(jī)，在整車電池能量管理系統(tǒng)的管理下，除了取代發(fā)電機(jī)向整車電氣設(shè)備供電和向蓄電池充電的功能外，還具有智能起動發(fā)動機(jī)、汽車加速助力和制動能量回饋等功能，因此系統(tǒng)較傳統(tǒng)汽車復(fù)雜。

2 BSG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

某公司某車型項(xiàng)目為BSG輕度混合動力車型，整車電氣系統(tǒng)采用48 V／12 V雙電壓平臺，整車采用48 V鐵電池取代傳統(tǒng)汽車12 V鉛酸電池為整車電源，配以整車電池能量智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整車雙電壓平臺能量的智能管理。

如圖2所示，該車型整車供電系統(tǒng)采用48 V／12 V雙電壓平臺，除部分整車控制器 （如車身控制模塊BCM、發(fā)動機(jī)控制單元ECU等）采用12 V工作電壓供電，其余整車電器（如電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS、起動機(jī)等）采用48 V供電，鐵電池輸出48 V電壓和12 V電壓雙電壓，整車DC-DC控制器把48 V電壓轉(zhuǎn)換為12 V電壓供12 V用電設(shè)備使用，48 V電壓直接供給整車包括BSG電機(jī)在內(nèi)的48 V用電設(shè)備，鐵電池輸出12 V電壓作為DC-DC控制器故障的備用電源。

圖2 48 V BSG輕度混合動力車整車電氣示意圖

在整車工作過程中，BSG電機(jī)正常功能為智能起停發(fā)動機(jī)，根據(jù)控制策略，BSG電機(jī)在啟動工況時(shí)，短時(shí)間內(nèi)將發(fā)動機(jī)拖動至怠速轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)開始噴油點(diǎn)火正常工作，電池能量管理系統(tǒng)根據(jù)電池的電量狀態(tài)，決定BSG電機(jī)的工作模式，或作為發(fā)電機(jī)使用，給整車鐵電池充電，或作為電動機(jī)使用，在整車加速時(shí)助力驅(qū)動，同時(shí)在減速時(shí)，可以提供制動力矩，進(jìn)行能量回收。

3 BSG系統(tǒng)主要故障模式研究

該BSG車型整車電氣工作原理圖如圖3所示，鐵電池輸出48 V和12 V （DC-DC故障備用電）供整車48 V和12 V用電設(shè)備使用。在該系統(tǒng)中，BSG電機(jī)、鐵電池和DC-DC控制器作為系統(tǒng)核心部件，在車輛正常運(yùn)行過程中，如果這些核心部件發(fā)生故障，如何保障整車正常運(yùn)行至目的地或維修站；同時(shí)由于現(xiàn)在汽車整車上的電器設(shè)備越來越多，當(dāng)整車出現(xiàn)較大負(fù)荷用電設(shè)備開關(guān)時(shí)，會造成整車電壓的波動，此時(shí)需要電源管理系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，保持整車電壓平臺的穩(wěn)定。結(jié)合整車電氣工作原理圖3，下面對整車可能存在的主要故障進(jìn)行分析。

圖3 某BSG車型電氣工作原理圖

1）負(fù)載突變。此處負(fù)載突變故障模式指整車用電較大的電器設(shè)備故障，容易對BSG系統(tǒng)造成電壓不穩(wěn)。從圖3可以看出，在整車正常運(yùn)行過程中，在整車電池電量平衡的狀態(tài)下，整車用電設(shè)備由BSG電機(jī)發(fā)電給整車用電設(shè)備供電。當(dāng)整車正電量突然發(fā)生劇烈變化時(shí)，會影響供電母線電壓的劇烈波動，可能造成整車其它用電設(shè)備過壓沖擊或欠壓保護(hù)，影響整車的電氣設(shè)備的安全，因此必須要保障在整車用電氣負(fù)載突變的情況下，保持整車供電母線電壓的相對穩(wěn)定，以保證用電設(shè)備的安全。

2）BSG電機(jī)故障。整車BSG電機(jī)作為核心部件，如果BSG電機(jī)故障，如何保障系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行至目的地或維修站，是整車電池能量管理系統(tǒng)需要重點(diǎn)考慮的問題。在該車型系統(tǒng)中，有低溫起動機(jī)在BSG電機(jī)故障時(shí)可以保證整車發(fā)動機(jī)的正常起動，在運(yùn)行過程中，BSG發(fā)電機(jī)故障，由整車鐵電池向整車電氣系統(tǒng)供電，但整車電池能量管理系統(tǒng)控制整車加速助力及制動饋電等功能失效。

3）鐵電池故障。鐵電池作為整車電能的提供者，在汽車行駛過程中，如果鐵電池故障，此時(shí)無論BSG處于什么工作狀態(tài) （發(fā)電、電動或空載等），均需要轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)給整車用電設(shè)備供電，保障整車的正常運(yùn)行。但由于BSG電機(jī)轉(zhuǎn)向發(fā)電狀態(tài)需要有一定的時(shí)間間隔，期間會造成整車供電電壓的瞬間降低，需要在臺架匹配BSG在各種工作狀態(tài)下，整車在各種用電設(shè)備負(fù)荷下整車系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4）DC-DC控制器故障。我們知道DC-DC控制器的主要作用是將48 V電壓轉(zhuǎn)換為12 V電壓為整車12 V用電設(shè)備供電，因此當(dāng)DC-DC控制器故障時(shí)，整車電池能量管理系統(tǒng)需要使鐵電池12 V備用電開始工作，保證整車12 V低壓用電設(shè)備能夠持續(xù)正常工作，保障整車的安全運(yùn)行。

4 臺架試驗(yàn)之故障模式驗(yàn)證

通過上面的故障模式分析，可以看出整車負(fù)載突變和鐵電池故障，對系統(tǒng)影響加大，因此需要在臺架上進(jìn)行這兩類故障模式的實(shí)車模擬和故障策略應(yīng)對，以保障車輛在突發(fā)故障時(shí)可以安全運(yùn)行。

4.1 負(fù)載突變故障模擬及驗(yàn)證

在動力總成臺架上，采用電阻負(fù)載模擬整車48 V車用電器負(fù)荷，通過控制突然施加負(fù)載和突然斷開負(fù)載，來模擬整車用電設(shè)備的負(fù)載突變，臺架模擬圖如圖4所示。通過發(fā)動機(jī)反拖BSG電機(jī)至各不同轉(zhuǎn)速，直流母線端只加上電阻負(fù)載 （2.3 kW負(fù)載，模擬除BSG電機(jī)外其他48 V用電設(shè)備），用開關(guān)通斷控制加載、卸載，通過電壓環(huán)控制輸出所需要的負(fù)載，并保證母線電壓的穩(wěn)定。下面分別為BSG電機(jī)在1 500 r／min、3 000 r／min和7 000 r／min三種轉(zhuǎn)速下，通過控制電阻負(fù)載模擬整車用電負(fù)荷的突變，觀察母線供電電壓的變化情況。

圖4 臺架模擬穩(wěn)壓調(diào)試結(jié)構(gòu)簡圖

通過臺架故障模擬運(yùn)行調(diào)試，可以得出如下結(jié)論。

1）從圖5可以看出，由于發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)行帶載能力較小，在BSG電機(jī)1 500轉(zhuǎn) （對應(yīng)于整車發(fā)動機(jī)在750 r／min怠速運(yùn)行）工況下，BSG電機(jī)的最大發(fā)電量為1 kW （直流側(cè)），所以根據(jù)該工況下模擬的實(shí)車負(fù)載來說，母線電壓最大只能輸出33 V，無法達(dá)到48 V。

2） 從圖6可以看出，BSG電機(jī)2000r／min到6500r／min，發(fā)電帶載2.3 kW，母線電壓可以穩(wěn)定在48V輸出。在2 000 r／min至6500r／min轉(zhuǎn)速區(qū)間范圍內(nèi)，直流電壓變化情況如表1所示。

3）從圖7可以看出，在7 000 r／min及以上轉(zhuǎn)速區(qū)間范圍內(nèi)，當(dāng)直流側(cè)空載時(shí) （整車用電設(shè)備不用電或用電非常少時(shí)），只能靠母線電容來穩(wěn)壓，由于電容容量有限，所以母線電壓無法穩(wěn)定，電壓波動較大；當(dāng)直流側(cè)帶載時(shí) （整車有一定量的電器負(fù)荷），系統(tǒng)可以穩(wěn)定電壓輸出，保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定平衡。

圖5 1 500 r／min突加載

圖6 3 000 r／min突加載突卸載

圖7 7 000 r／min突卸載

表1 正常工作區(qū)域穩(wěn)壓情況

4.2 電池故障模擬及驗(yàn)證

如圖8所示，在臺架上模擬整車的電池故障：分別在BSG電機(jī)在發(fā)電、空載、電動3種狀態(tài)時(shí)，電池突然故障斷開，此時(shí)BSG電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電供給模擬整車電氣負(fù)載的2.3 kW電阻負(fù)載，并提供48 V給DC-DC控制器，DC-DC控制器將48 V轉(zhuǎn)換成12 V給整車12 V低壓電器設(shè)備供電，保障系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。臺架故障模擬時(shí)，通過開關(guān)遠(yuǎn)程通斷控制電池模擬器模擬的鐵電池48 V輸出電壓的通斷，電阻負(fù)載電路通斷模擬系統(tǒng)負(fù)載的突然加載卸載，測試圖中電流表電壓表標(biāo)識處電壓及電流的變化情況。

1）BSG電機(jī)電動狀態(tài)。模擬在鐵電池故障時(shí)，BSG電機(jī)處于電動狀態(tài)。此時(shí)鐵電池突然發(fā)生故障或斷開，BSG要從電動迅速轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)，且BSG控制器直流側(cè)輸出電壓也要快速恢復(fù)48 V，給48 V用電設(shè)備供電，如圖9所示。

如圖9所示，藍(lán)色線為電動電流A1，紫色線為母線電壓，DC電壓瞬間拉低，DC保護(hù)，無輸出12 V，BSG電機(jī)控制器停止工作，系統(tǒng)無法繼續(xù)工作。通過對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)下不同電機(jī)扭矩下分別進(jìn)行了調(diào)試，測試電機(jī)處于電動時(shí)候斷開電池直流側(cè)帶載2.3 kW、1.1 kW、空載3種情況下，系統(tǒng)均無法正常工作。

2）BSG電機(jī)空載狀態(tài)。模擬在鐵電池故障時(shí)，BSG電機(jī)處于空載狀態(tài)。此時(shí)鐵電池突然發(fā)生故障或斷開，BSG要從空載狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)，且無論整車負(fù)載狀態(tài)如何，BSG電機(jī)的直流側(cè)輸出電壓也要快速恢復(fù)48 V，給48 V用電設(shè)備供電，如圖10所示。

如圖10所示，當(dāng)BSG空載狀態(tài)，電池突然故障，DC電壓變?yōu)?8 V，50 ms后恢復(fù)48 V，可以正常工作，分別對電機(jī)不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)空載工況進(jìn)行了檢測，電機(jī)處于空載時(shí)候，斷開電池在直流側(cè)帶載2.3 kW、1.1 kW、空載情況下，系統(tǒng)都可以正常穩(wěn)壓工作。

3）BSG電機(jī)發(fā)電狀態(tài)。模擬在鐵電池故障時(shí)，BSG電機(jī)正處于發(fā)電狀態(tài)。此時(shí)鐵電池突然發(fā)生故障或斷開，BSG要根據(jù)整車電器負(fù)載狀態(tài)，調(diào)整BSG電機(jī)的直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定，給整車系統(tǒng)48 V用電設(shè)備供電，如圖11所示。

圖9 BSG電機(jī)電動狀態(tài)

圖10 BSG電機(jī)空載狀態(tài)

圖11 BSG電機(jī)發(fā)電狀態(tài)

如圖11所示，當(dāng)BSG電機(jī)正在發(fā)電狀態(tài)，電池突然故障，DC電壓瞬間拉低到30 V，177 ms恢復(fù)到48 V，電機(jī)處于發(fā)電時(shí)候斷開電池，直流側(cè)帶載2.3 kW、1.1 kW、空載情況下，發(fā)電情況下根據(jù)直流側(cè)帶載的大小，發(fā)電量如果小于直流側(cè)的載荷，系統(tǒng)可以正常穩(wěn)壓工作，但是發(fā)電量稍微大于直流側(cè)的載荷，系統(tǒng)還是無法正常穩(wěn)壓工作。

5 結(jié)論

BSG輕度混合動力車型以其獨(dú)特的性能和低廉的成本是目前各大車企的重點(diǎn)研究方向，其對特定行駛工況的燃油消耗量的減少有著突出的作用。 BSG系統(tǒng)相對傳統(tǒng)汽車，系統(tǒng)較為復(fù)雜，對電池、電控及電池能量管理系統(tǒng)等核心零部件的性能及可靠性有很高的要求，系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，還需要保證整車電氣設(shè)備不受欠壓影響或過壓沖擊。在前期實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對BSG系統(tǒng)各核心零部件進(jìn)行充分的潛在故障研究并模擬實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)整優(yōu)化核心零部件的性能和整車電池能量管理策略，是實(shí)現(xiàn)整車安全性能的前提。本文通過混合動力總成臺架，配合電池模擬系統(tǒng)和整車電氣負(fù)荷模擬負(fù)載，對BSG系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件的主要失效功能進(jìn)行了分析研究，并在臺架上進(jìn)行了測試分析，為后續(xù)BSG系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。