48V轻混系统设计开发研究

万 欣，邵 波，孟 成，郑艳刚，孙 灿

（北京汽车集团越野车有限公司，北京 101300）

随着国家新能源车辆补贴退坡，电池成本居高不下，越来越多的车企选择48V轻混系统来适应越来越高的排放标准。48V轻混系统具有系统成熟度高、整车适配性强、节油率提升明显、投入成本低的特点。越野车具有使用地域广、迎风面积大、风阻大、车重高、滚动阻力大等特点，为解决车辆高油耗问题，对动力系统进行重新设计开发，选用2.0T发动机搭载48V轻混P0架构 （图1），选用BSG启动／发电一体电机［1］。

1 48V系统结构设计

48V P0架构是通过皮带连接BSG电机与发动机，电机本身不驱动车辆行驶，而是作为对发动机的补充。当发动机在低转速、低扭矩区域工作时，通过对48V电池充电，拉升发动机转数，使其运行在最佳油耗线附近。当发动机处于高转速、高扭矩工作时，48V电池放电增扭，降低发动机转数，使发动机运行曲线回落到最佳油耗线附近。通过增加48V轻混系统使发动机运行保持在最佳油耗线附近，进而达到降低油耗的目的。不同工况下发动机运行曲线如图2所示。

图2 不同工况下发动机运行曲线

2 发动机与BSG电机的匹配参数

作为48V轻混系统的动力源，发动机与电机的匹配至关重要，通常发动机由于惯量大，瞬时响应速度慢，组合响应较快的电机可以弥补发动机的不足。越野车迎风面积大、车重高，在行驶时需要克服空气阻力、滚动阻力、坡道阻力等。表1为发动机、电机参数表。

表1 发动机、电机参数表

3 48V电池选取

目前市场上常用的48V电池有3种，分别是磷酸铁锂、三元锂及以钛酸锂为负极材料的钛酸锂电芯。表2为3种电芯产品的性能对照。

4 仿真分析

48V轻混车辆在行驶时，发动机应尽可能工作在高效能区，并且要维持SOC平衡。在WLTC工况下，仿真分析电机运行曲线见图3。

4.1 WLTC工况电机仿真分析

通过分析图3，在48V系统控制策略下，电机运行在高效率区间 （图3黄色区域），电机的运行效率提高［2］。

4.2 48V电池仿真分析

在WLTC工况下，仿真分析48V电池工作情况见图4。图4红色区域为电池的最大持续充放电功率，在电池可用SOC范围内，其功率满足最大持续充放电功率，48V系统可以满足WLTC排放要求，达到预期目标。

表2 3种电芯产品的性能对照

4.3 48V电池功率计算

图3 WLTC工况下电机的运行曲线

图448 V电池的WLTC仿真分析

车辆加速或爬坡电机助力：电机驱动功率为峰值13kW时，48V电池放电；车辆加速或爬坡多在低挡状态下行驶，从燃油经济性方面考虑希望此时BSG电机以大扭矩输出，相应发动机转速不能过多提升，BSG电机转速在2000r／min或以上工作，效率以0.7计算，以一个周期为30s计算电池放电所需：

车辆制动，电机放电：制动能量回收，BSG电机功率为峰值16kW，48V电池充电；车辆制动能量回收一般在车速较高状态下行驶，由于传动比的关系，BSG转速较高，以7000r／min计算，效率以0.8计算，以一个制动周期为20s计算电池回收能量：

根据上述公式 （1）、公式 （2）计算所得数值，圆整后电池可用能力为155Wh。

5 结论

通过仿真分析计算，可用能量大于155Wh的电池箱体均可以满足本车辆使用，并且48V轻混系统可以显著优化发动机工作点，车辆操纵平顺性、稳定性提升，车辆节油效果明显。48V轻混系统可实现有限的成本投入，大幅度降低车辆的能耗［3］。