基于高壓皮帶啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的混動(dòng)總成新架構(gòu)

白云輝 趙敏 王坤城 單子懿

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司）

根據(jù)2016 年的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，國(guó)家引導(dǎo)車企向低油耗及電動(dòng)化方向發(fā)展，要求企業(yè)平均油耗在2020 年降至5 L/100 km，2025 年目標(biāo)為4 L/100 km，倒逼汽車節(jié)能，以達(dá)到降低油耗、提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的[1-2]。優(yōu)質(zhì)的混合動(dòng)力汽車可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、變速箱等各部件相互協(xié)調(diào)工作，利用電機(jī)低速大扭矩的特性，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出始終保持在經(jīng)濟(jì)性區(qū)域內(nèi)。文章對(duì)行業(yè)現(xiàn)有的主流混合動(dòng)力架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比與分析，在充分考慮優(yōu)劣勢(shì)后引入了一種全新的混合動(dòng)力總成架構(gòu)，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和工作性能是否穩(wěn)定可靠等方面進(jìn)行驗(yàn)證。

1 混合動(dòng)力架構(gòu)行業(yè)現(xiàn)狀

在混合動(dòng)力時(shí)代，由于混動(dòng)汽車集成了電機(jī)，所以其架構(gòu)發(fā)生了根本性變化?；靹?dòng)架構(gòu)主要包括三大類：1）在傳統(tǒng)動(dòng)力總成上增加低壓皮帶啟動(dòng)發(fā)電機(jī)（BSG）的輕混架構(gòu)，電機(jī)通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)柔性連接，取代常規(guī)的12 V 發(fā)電機(jī)；2）基于傳統(tǒng)變速器電氣化而衍生的混動(dòng)變速器，即拓展式混動(dòng)架構(gòu)；3）針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的功率和扭矩特性而專門開發(fā)的新混合動(dòng)力專用變速器（DHT）。

1.1 48 V BSG輕混架構(gòu)

博世、大陸、法雷奧等供應(yīng)商提出了一種帶有BSG（Belt driven Starter Generator）電機(jī)的 48 V 弱混系統(tǒng)[3-4]，發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速起停，并具有短時(shí)加速助力和制動(dòng)能量回收功能。該系統(tǒng)可降低整車油耗10%～15%，并優(yōu)化駕駛性和車輛NVH 性能，而成本增加在6 000元以內(nèi)[5]，且開發(fā)難度低，是一種很有前景的方案。

1.2 拓展式混動(dòng)架構(gòu)

拓展式混動(dòng)變速器是基于現(xiàn)有的傳統(tǒng)變速器設(shè)計(jì)的，通常通過增加某個(gè)模塊或用模塊替換起步裝置來實(shí)現(xiàn)電氣化。該方案一般是將電機(jī)集成到AMT，DCT，AT，CVT 等變速器上。此類變速器已經(jīng)大量投放市場(chǎng)，常見的有ZF 8P70H 混動(dòng)變速器。該混動(dòng)變速器在原8AT 變速器的基礎(chǔ)上使用P2 電機(jī)替代原變矩器，結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1 所示；某公司第2 代雙模車采用基于DCT 變速器的P3+DCT 變速器方案，原DCT 結(jié)構(gòu)基本不變，電機(jī)置于DCT 變速器的輸出部分[6]。

圖1 ZF 8P70H 混動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 混動(dòng)專用架構(gòu)

DHT 是使用1 個(gè)或多個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變速器功能的混動(dòng)變速器。在數(shù)年前，DHT 就已被高度關(guān)注，已有相關(guān)領(lǐng)域的針對(duì)性研究。同時(shí)，許多汽車廠家和關(guān)鍵供應(yīng)商啟動(dòng)了DHT 的開發(fā)工作。常見的有日本豐田公司采用的基于普通單排行星齒輪結(jié)構(gòu)和雙電機(jī)的THS 混動(dòng)變速器，結(jié)構(gòu)原理圖，如圖2 所示；日本本田公司所采用的基于普通單級(jí)定軸齒輪和雙電機(jī)的i-MMD 混動(dòng)變速器，結(jié)構(gòu)原理圖，如圖3 所示。

圖2 豐田THS-Ⅲ混動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 本田i-MMD 混動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)原理圖

表1 示出拓展式和DHT 變速器2 種不同架構(gòu)車型100 km 加速對(duì)比情況。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，搭載拓展式混合動(dòng)力變速器的車輛動(dòng)力性普遍優(yōu)于搭載DHT 變速器的車輛；而在拓展式混動(dòng)架構(gòu)中，搭載P3 架構(gòu)混動(dòng)變速器的車輛其動(dòng)力性明顯優(yōu)于采用P2 架構(gòu)混動(dòng)變速器的車輛；而在DHT 混動(dòng)變速器中，搭載采用平行軸齒輪的DHT 變速器的車輛其動(dòng)力性優(yōu)于采用基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的DHT 變速器。

表1 不同架構(gòu)車型100 km 加速對(duì)比

2 高壓BSG混動(dòng)系統(tǒng)新架構(gòu)

在低SOC、低速狀態(tài)下，某雙模車的P3+DCT 混動(dòng)架構(gòu)也存在油耗偏高、傳動(dòng)系統(tǒng)平順性差的問題。這是因?yàn)镻3 電機(jī)與車輪連接，P3 電機(jī)的發(fā)電轉(zhuǎn)速完全由車輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，低車速導(dǎo)致發(fā)電緩慢、發(fā)電效率偏低且存在行車頓挫的問題。為解決該問題，開發(fā)出基于P0+P3+DCT 的全新一代混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)[7]，如圖4 所示。

圖4 新一代混動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)編號(hào)與整車架構(gòu)圖

2.1 混動(dòng)系統(tǒng)新架構(gòu)

該混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)主要是在原來的P3+DCT 基礎(chǔ)上增加了一個(gè)高壓BSG 電機(jī)，BSG 電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，也就是P0 位置，電機(jī)通過皮帶連接曲軸，可最直接地啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停、能量回收和扭矩輔助等功能。原混動(dòng)技術(shù)中，只有在P3 和P4 這2 個(gè)位置設(shè)有前驅(qū)和后驅(qū)電機(jī)，而新混動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)在P0 位置加入了高壓BSG 電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了P0+P3+P4 混動(dòng)新結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 P0+P3+P4+DCT 混動(dòng)新架構(gòu)

2.2 高壓BSG及輪系

傳統(tǒng)輕混BSG 電機(jī)（48 V）的作用是替代12 V 起動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)快速啟停發(fā)動(dòng)機(jī)以及發(fā)電功能，但因額定電壓低，工作電流大，系統(tǒng)的耗損也大，功率密度偏低，發(fā)電效率往往不高。而新一代混動(dòng)架構(gòu)的高壓BSG 電機(jī)直接從動(dòng)力電池取電，工作電壓為360～518 V，省去了低壓BSG 的啟動(dòng)電池，其布置方式，如圖6 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸減振皮帶輪通過皮帶、以一定的速比驅(qū)動(dòng)高壓BSG 電機(jī)，并配備雙向張緊器來緩解、吸收輪系的振動(dòng)。高壓BSG 電機(jī)帶來了更高的發(fā)電功率，且發(fā)電效率最高可達(dá)94%，在整車以10 km/h 蠕行時(shí)，效率提升45%，從而使得整車保電效果更加理想。

圖6 新一代高壓皮帶啟動(dòng)發(fā)電機(jī)（BSG）及輪系布置圖

當(dāng)然，除了效率的提升，高壓BSG 電機(jī)顯著提升了行駛舒適性。首先，混動(dòng)新架構(gòu)中的高壓BSG 電機(jī)取代了起動(dòng)機(jī)，而且是皮帶傳動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊；同時(shí)高壓BSG 電機(jī)的啟動(dòng)拉升轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到800 r/min，超過了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)的擺動(dòng)問題也能應(yīng)對(duì)；而且，高壓BSG 電機(jī)還起到扭矩補(bǔ)償作用，換擋過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速過高或過低都會(huì)帶來沖擊，這時(shí)高壓BSG 就會(huì)主動(dòng)增加或者降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到無縫銜接的效果。

2.3 新增工作模式

在引入了高壓BSG 的混動(dòng)新架構(gòu)之后，新一代混動(dòng)架構(gòu)在原來的基礎(chǔ)上增加了串聯(lián)模式：原地串聯(lián)發(fā)電、行車串聯(lián)驅(qū)動(dòng)、減速串聯(lián)回饋，如圖7 所示。

圖7 混動(dòng)架構(gòu)的3 種串聯(lián)工作模式

1）原地串聯(lián)發(fā)電。當(dāng)SOC 低于設(shè)定閾值，在停車狀態(tài)下可以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入原地串聯(lián)發(fā)電模式，因高壓BSG 電機(jī)功率較高，故設(shè)定了原地發(fā)電的高發(fā)電功率與低發(fā)電功率2 個(gè)擋位，可根據(jù)油門踏板深度來選擇對(duì)應(yīng)擋位，滿足發(fā)電需求。

2）行車串聯(lián)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)行車過程中SOC 低于設(shè)定閾值時(shí)，在低行駛速度下進(jìn)入行車串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)高壓BSG 發(fā)電，給動(dòng)力電池充電，前、后電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車純電行駛。因發(fā)動(dòng)機(jī)與DCT、車輪完全斷開，且避免了發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)與發(fā)電的工作模式，能有效改善整車的行駛平順性與NVH 性能。并且發(fā)電功率不受低車速下車輪與P3 電機(jī)直連的影響，功率與效率都能得到提升。

3）減速串聯(lián)回饋。當(dāng)整車制動(dòng)、減速時(shí)進(jìn)入減速串聯(lián)回饋模式，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)高壓BSG 發(fā)電，前、后電機(jī)回饋發(fā)電，給動(dòng)力電池充電，電池電量可以快速上升。

3 新架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

搭載混動(dòng)新架構(gòu)的汽車在動(dòng)力參數(shù)上，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力總輸出功率441 kW，總輸出扭矩950 N·m，相比上一代DM技術(shù)分別提升19%和16%?；靹?dòng)新架構(gòu)帶來的改進(jìn)與優(yōu)勢(shì)主要如下：

1）100 km 加速最短時(shí)間僅為4.3 s，動(dòng)力性能可媲美傳統(tǒng)燃油的高性能V8 發(fā)動(dòng)機(jī)；

2）在經(jīng)濟(jì)性上，與上一代DM 技術(shù)相比，新一代DM 技術(shù)發(fā)電效率提升了25%，節(jié)油率提升15%，最低可實(shí)現(xiàn)1.6 L/100 km 的油耗，領(lǐng)先行業(yè)平均水平30%；

3）在動(dòng)力平順性上，新DM 技術(shù)的串聯(lián)模式完全避免了DCT 反拖，BSG 電機(jī)可將發(fā)動(dòng)機(jī)拉升至任意轉(zhuǎn)速區(qū)間，從而達(dá)到主動(dòng)控制換擋轉(zhuǎn)速區(qū)間的目的，減少?zèng)_擊；

4）在整車NVH 層面，新DM技術(shù)還可以創(chuàng)造同級(jí)別最靜謐的動(dòng)力工況，新一代DM技術(shù)的車內(nèi)怠速噪聲僅為36.5 dB，比圖書館環(huán)境還要安靜3.5 dB。而全球AVL 數(shù)據(jù)庫的測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)顯示，其在3 000～6 000 r/min這一主要轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的噪聲表現(xiàn)同樣優(yōu)于行業(yè)水平。

4 結(jié)論

新一代混合動(dòng)力總成架構(gòu)創(chuàng)新性地引入了高壓BSG，將傳統(tǒng)的P3+DCT 架構(gòu)調(diào)整為P0+P3+DCT，并新增了3 種工作模式。高壓BSG 在發(fā)電效率、啟動(dòng)平順性、整車保電性等方面有明顯提升，使整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平順性、NVH 等關(guān)鍵性能均有提升。該混合動(dòng)力總成新架構(gòu)也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度升高的新問題，控制策略是下一步的重點(diǎn)研究方向。