48V輕混汽車動力總成結(jié)構(gòu)設(shè)計

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 程吉鵬 雷嘉豪 賈丙碩

1 48V 動力總成電氣方案設(shè)計

在12V—48V—HEV 電氣系統(tǒng)架構(gòu)中，12V 系統(tǒng)和HEV 高壓系統(tǒng)通過兩個DC/DC 轉(zhuǎn)換器直接聯(lián)通。其中底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)動機(jī)冷卻系、加熱風(fēng)窗以及再生制動系統(tǒng)等由48V 系統(tǒng)支持。ISG 電機(jī)以發(fā)電機(jī)工作時發(fā)電，產(chǎn)生的交流電一部分經(jīng)過逆變器整流調(diào)壓后為48V 電池充電，以及部分負(fù)載供電。另外一路通過DC/DC 將48V 直流電壓轉(zhuǎn)化為12V，向12V 蓄電池充電，照明、儀表盤顯示、音響、影視等可以通過12V 電源供電。并且12V 電氣網(wǎng)絡(luò)不可以向48V 電氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)反灌。如圖1 所示：

圖1 12V- 48V- HEV 雙電壓電氣系統(tǒng)

2 48V 動力系統(tǒng)機(jī)構(gòu)布置

48V 輕混系統(tǒng)是在12V 啟停系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增添了48V 儲能電池、雙向DC/DC 變換器、48VBSG（belt-driven starter generator）/ISG （intergrated starter generator）電機(jī)、電池管理系統(tǒng)。ISG 是起動和發(fā)電均由一個電機(jī)完成，而在傳統(tǒng)汽車上是通過起動機(jī)和發(fā)電機(jī)兩個電機(jī)實(shí)現(xiàn)。動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題是ISG 電機(jī)的布置位置和傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的連接方式。依據(jù)48V 起動發(fā)電機(jī)的安裝位置進(jìn)行分類，如圖2 所示。

圖2 48V 混動系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 安裝在發(fā)動機(jī)前端（P0）

電機(jī)與曲軸偏置布置，位于發(fā)動機(jī)前端的附件驅(qū)動系統(tǒng)，固定在傳統(tǒng)逆變器的位置上，采用的是BSG（Belt-driven Starter/Generator）電機(jī)，使用皮帶與發(fā)動機(jī)前端相連[1]。P0 結(jié)構(gòu)中BSG 電機(jī)代替了傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，對整車改動最小，用BSG 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的起動機(jī)?？梢詫?shí)現(xiàn)啟停功能、動力輔助和再生制動等功能，而且成本較低。P0 系統(tǒng)一個重要的優(yōu)勢是通過48V 電池，可以起動BSG 電機(jī)[2]，在停機(jī)時，由BSG 電機(jī)帶動空調(diào)壓縮機(jī)工作。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于BSG 無法和發(fā)動機(jī)斷開，沒有純電動行駛模式，同時在進(jìn)行能量回收時，即便關(guān)閉噴油發(fā)動機(jī)依舊運(yùn)行，發(fā)動機(jī)拖拽阻力的存在使得回收能量減少。

2.2 曲軸安裝起動機(jī)（P1）

P1 結(jié)構(gòu)是將ISG（Integrated Starter and Generator）安裝在發(fā)動機(jī)和離合器C1 之間，ISG 電機(jī)取代了飛輪，曲軸則類似ISG 電機(jī)轉(zhuǎn)子。在啟動時起起動機(jī)的作用，在下長坡減速制動時起發(fā)電機(jī)作用，進(jìn)行能量回收，為電池充電。因此該結(jié)構(gòu)支持發(fā)動機(jī)起停、制動能量回收發(fā)電功能。由于沒有皮帶滑動限制，它可以提供比BSG 更高的扭矩。P1 結(jié)構(gòu)中ISG 電機(jī)與發(fā)動機(jī)直接相連，轉(zhuǎn)速與曲軸箱等，不存在傳動比，要求ISG 電機(jī)扭矩較大，則成本較高。

2.3 安裝在軸上的起動機(jī)（P2/P3）

P2 結(jié)構(gòu)是在原有的動力系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，在發(fā)動機(jī)和變速器加入電動機(jī)和兩個離合器來實(shí)現(xiàn)混動，屬于并聯(lián)混動。如果使用BSG 電機(jī)與變速箱輸入軸相連或者至使用減速齒輪（體積較大）也屬于P2 結(jié)構(gòu)。P2 結(jié)構(gòu)由于分離離合器C1 的存在，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)和發(fā)動機(jī)的分離，在純電動模式下發(fā)動機(jī)會斷開則不會被拖動，電機(jī)通過C2 向變速箱傳遞動力驅(qū)動車輛。同時由于P2 結(jié)構(gòu)中在ISG 電機(jī)和變速箱之間有離合器C2，可以充分利用變速比。當(dāng)發(fā)動機(jī)需要啟動時，變速箱切換到空擋，ISG 電機(jī)通過分離離合器C1 拖動發(fā)動機(jī)達(dá)到啟動轉(zhuǎn)矩。與P1 相比P2 系統(tǒng)能夠進(jìn)行純電工作模式。

2.4 后軸安裝電機(jī)（P4）

P4 結(jié)構(gòu)把電動機(jī)放在了驅(qū)動橋，直接連接驅(qū)動車輪，另外輪邊驅(qū)動也叫P4。P4 安裝的電機(jī)一種是使用鏈條或齒輪驅(qū)動前軸/后軸，另外一種可以取消輪軸用兩個輪轂電機(jī)，這種方式一方面提高了轉(zhuǎn)彎的性能，但對于電機(jī)的電控的要求極為嚴(yán)格，另一方面減少了輪軸、差速器帶來的效率損失和附加車重。P4 結(jié)構(gòu)中，電機(jī)與發(fā)動機(jī)驅(qū)動的對象不一樣，不同軸。因此，車輛能夠完成四驅(qū)。但是P4 結(jié)構(gòu)純電模式和純發(fā)動機(jī)模式之間切換比較困難，而車輛要能夠完成四驅(qū)，必須是切換前驅(qū)后驅(qū)，影響車輛操控性，穩(wěn)定性以及舒適性。P4 與P3 布局結(jié)構(gòu)類似。由于純電模式與純發(fā)動機(jī)模式間的切換不方便，P4 適用于插電混合動力或者是弱混模式，而P4 強(qiáng)混反而是比較少的。

3 48V 輕混系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的選擇

通過對以上各種48V 輕混系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析可知：48V 動力系統(tǒng)主要有BSG 和ISG 兩種設(shè)計方法[3]。ISG是電機(jī)安裝在發(fā)動機(jī)曲軸的后端（P1、P2、P3、）；BSG 電機(jī)安裝在發(fā)動機(jī)前端，依靠帶傳動、鏈傳動或者齒輪傳動的方式直接發(fā)動機(jī)曲軸柔性連接（P0、P4）。根據(jù)它們的與傳動軸的位置關(guān)系又可以分為同軸式和非同軸式。ISG 非同軸布置電機(jī)功率不會太大，而BSG 通過皮帶傳動有一定的能量損失。ISG 同軸式布置，需要用到兩個離合器，可以使車輛實(shí)現(xiàn)純電動運(yùn)行。在表1 中對48V 整車結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行對比分析。

表1 輕混結(jié)構(gòu)對比

通過對比，本文選擇將ISG 同軸布置的結(jié)構(gòu)方案運(yùn)用在48V 電氣系統(tǒng)中，也就是P2 機(jī)構(gòu)。此布置方式ISG 能夠?qū)崿F(xiàn)起動、動力輔助、制動回收和短距離純電行駛等功能。P2 系統(tǒng)在整車結(jié)構(gòu)上無需作大的改動，在發(fā)動機(jī)和變速箱之間增添一塊電驅(qū)耦合系統(tǒng)即可。在電機(jī)和變速箱之間存在離合器C2，適用DCT 自動變速箱、CVT、液力變矩器自動變速箱。因此汽車原有的變速箱不需要重新設(shè)計，只需稍做調(diào)整。這樣大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，極大程度上降低了投資成本和風(fēng)險。

4 48V 輕混動力系統(tǒng)的節(jié)能原理

48V 系統(tǒng)上午節(jié)能[4]最主要的貢獻(xiàn)是體現(xiàn)在支持加速動力輔助、制動能量回收、啟停和滑行時停機(jī)。

4.1 快速起動/ 停機(jī)功能（START/STOP）[5]

48V 具備起停功能，在城市擁堵，需要頻繁起停的工況下，在怠速的時候，ISG 電機(jī)工作，拖拽發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)自動起停功能。這樣避免了發(fā)動機(jī)工作在低速大扭矩區(qū)間[6]。此外，汽車的空調(diào)系統(tǒng)、電子水泵等電器在發(fā)動機(jī)停機(jī)時依然可以工作。如圖3 為啟動模式下的能量流向圖。

圖3 啟動模式能量流向圖

4.2 動力輔助（BOOST）

當(dāng)發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速且負(fù)載較大的情況下，需求較大的輸出扭矩，此時發(fā)動機(jī)的燃燒品質(zhì)和排放性能都較差。如果更換更大排量的發(fā)動機(jī)，動力性雖得到改善，但是汽車的生產(chǎn)成本相應(yīng)的增加。汽車在需要加速、爬坡等大扭矩工況下，48V 電池給ISG 電機(jī)供電，電機(jī)提供必要的扭矩和功率，進(jìn)行輔助動力，此時發(fā)動機(jī)和ISG 電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動，保證汽車低速時大扭矩的需求。此時離合器C1 和C2 均閉合，直到電池SOC處于較小值時，48V 動力電池不再向ISG 電機(jī)提供能量，發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛。該模式下ISG 電機(jī)提供功率輔助，在滿足動力性的情況下改善排放性能。能量流向如圖4 所示。

圖4 聯(lián)合驅(qū)動模式能量流向圖

4.3 能量回收（RECUPERATION）

傳統(tǒng)汽車的制動減速工況，能量大部分都是以熱能形式或者慣性損失掉。引入48V 系統(tǒng)后，車輛在滑行時可以使發(fā)動機(jī)停機(jī)減少油耗，同時產(chǎn)生的機(jī)械能通過ISG 電機(jī)發(fā)電給48V 電池充電儲存起來。在制動時的動能產(chǎn)生再生制動力[7]，帶動ISG 發(fā)電機(jī)工作模式，如圖5 所示，C1 斷開、C2 閉合。一方面避免了發(fā)動機(jī)反拖能量損失，另外制動的能量得到充分利用。再生制動模式減少了能量的損失和制動器的損耗，改善了整車效率。

圖5 能量回收模式能量流向圖

4.4 短距離純電行駛（SAILING/ACTIVE ENGINE- OFF COASTING）

車輛恒速行駛時，ISG 電機(jī)提供動力驅(qū)動車輛，噴油系統(tǒng)停止噴油。在電池電量充足、汽車處于高速巡航工況下，發(fā)動機(jī)熄火，依靠電機(jī)維持短距離的巡航。踩下加速踏板后，發(fā)動機(jī)快速切換到當(dāng)前車速下對應(yīng)轉(zhuǎn)速。短距離純電動過程中可以實(shí)現(xiàn)零排放。如圖6 所示，離合器C1 斷開，電機(jī)與變速器之間的離合器C2 閉合，避免了發(fā)動機(jī)被電機(jī)反拖造成的能量消耗，那么ISG 的動力就會高效地驅(qū)動車輪。當(dāng)汽車在高速巡航時，發(fā)動機(jī)可徹底分離且關(guān)閉，ISG 電機(jī)維持車輛巡航。當(dāng)再次踩下加速踏板，發(fā)動機(jī)會快速啟動，切入到當(dāng)前車速驅(qū)動車輛。

圖6 短距離純電模式能量流向圖

5 總結(jié)

本章首先介紹了48V 輕度混合汽車的節(jié)能原理，分析了汽車上12V/48V 雙電壓系統(tǒng)的優(yōu)勢以及48V 單電壓系統(tǒng)的不足之處，確定了48V 輕混動力系統(tǒng)雙電壓的電氣方案，最后詳細(xì)比較分析了P0、P1、P2、P3、P4結(jié)構(gòu)的功能和布置形式，選擇P2 混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置方案，對工作模式進(jìn)行了總結(jié)。