来源|EDC电力驱动未来
来源|王磊/合肥工业大学
根据混合程度的不同，混合动力汽车可以分为插电式混合动力汽车(PHEV)、混合动力汽车(HEV)和微型混合动力汽车(MHEV)。总的来说，PHEV的成本是三者中最高的，节油率也是最大的，而MHEV的成本是三者中最低的，同样的收益也是最低的。在MHEV中，48 V混合动力电动汽车因其基本结构无法改变现有汽车动力总成架构，仅需要比PHEV低10%甚至更低的成本就能达到50%的节油效果，在轻型客车行业越来越受到重视。基于P0布局方案，对轻型客车的关键部件——带传动起动/发电一体化电机(BSG)的功率进行设计计算。
1基础车辆研究
本文的研究对象是一款搭载48 V BSG系统的改进型MHEV，以下简称“48 V车”，其原型车是某汽车公司2018年在国内市场销售的一款车，以下简称“原型车”。原型车的基本参数如表1所示。
表1原型车基本参数
从表1可以看出，原型车的整备重量为1 600 kg，排放符合国家五大法规要求，是目前市场上主流车型的平均水平，具有普遍的研究代表性。
2功率计算
48 V BSG电机功率设计的主要原则需要满足三个要求：(1)快速启动；(2)动力提升；(3)最大能量回收。在设计过程中，最大电机功率可通过公式1计算
P=max(P1、P2、P3)(1)
公式中，p为48 V电机所需的功率；P1是快速启动所需的动力；P2是满足功率改善要求所需的功率；P3是满足最大能量回收要求所需的功率。
由于样机是3缸机，怠速较高，约900 r/min。样机冷启动时，600 r/min为标准启动速度。如图1所示，原型车的速度从停车开始增加到600 r/min，整个启动过程大约需要742 ms
图1原型车起动时间参考由于48 V车型的特殊设计，在冷起动时，需要在喷油起动前将内燃机向后拖至1 000 r/min左右，48 V BSG电机需要能够将发动机向后拖至1 000 r/min的标定速度。
发动机反拖的摩擦力矩可以通过台架或转鼓上的反拖获得。发动机冷状态下的反向阻力摩擦力矩比热状态下的高，约为30nm。
为了尽量减少起停过程对驾驶员的干扰，满足快速起停的时间要求，需要将48 V车辆的整个启动过程压缩在300 ms以内，反向牵引所需的功率可由公式2计算
(2)
其中，If是发动机转动部件的转动惯量；是发动机飞轮旋转的目标角速度；t是发动机拖回起始标记速度所需的时间。等式2中的发动机转动部件的转动惯量是未知的，并且转动部件的转动惯量可以通过参考等式3中的加速空转方法来确定
(3)
公式中，Tb是发动机燃烧时气体压力产生的扭矩。在关机过程中，Tb可以认为是0，所以公式可以改写为
(4)
图2热机停机实际测量过程中的减速过程
根据计算，P1不得低于3.15千瓦.关闭期间原型车辆的测量转速如图2所示。从图2可以看出，发动机以恒定速度从怠速900转/分钟停止到200转/分钟，该过程花费了1 257毫秒
发动机热停机过程中，发动机拖动摩擦力矩Tf会低于发动机冷起动过程，约为20nm，根据计算，发动机转动部件的转动惯量If约为0.686kg/m2，代入If的值，计算出P1不小于6.27 kW。总而言之，P1是6.27千瓦.
3数值研究和评估
汽车的动态性能通常由三个指标来评价：(1)最大车辆
汽车直线行驶时，只有在纵向外力的情况下，才能用汽车的功率平衡公式计算
(5)
其中，Pe为发动机输出功率；T是传动系统的机械效率；g为整车重力；f为滚动阻力系数；u为车速；我是路坡；CD为空气阻力系数；a为迎风面积；是汽车转动质量的换算系数；m是整车质量。
当汽车以最大速度行驶时，可以认为公式5的加速阻力功率和坡道阻力功率为0，汽车在直道上匀速行驶，只留下顺风阻力功率和滚动阻力功率。公式(5)可以简化为
(6)
试验选择在良好的沥青或混凝土路面上行驶。如表2所示，F值为0.014，T可以认为是离合器、变速箱、传动轴的综合机械效率。根据经验，这三个值分别为0.98、0.95和0.95。原型车最高时速计算为208 km/h，基本符合实际情况。如果一辆48 V汽车的最高速度需要提高到214 km/h，计算显示P2应该是8.76 kW。
表2普通路面滚动阻力系数值
P1和P2是48 V电动机在增压条件下的功率，即作为电动机所需的额定机械功率。对于P3，48 V电机在能量回收情况下的额定功率可以作为电机输出所需的额定功率。为了充分发挥48 V系统在制动能量回收方面的作用，基于原型车已列入国家五大排放标准，在排放法规要求的新欧洲驾驶循环(NEDC)中进行制动能量回收分析。在原型车上进行NEDC实车试验的基本情况如图3所示。
图3原型NEDC实车试验条件基本情况
对于工况试验的直行道路，汽车制动恢复力和车速的计算公式如下
(7)
公式中，Pr是汽车减速时的可恢复功率。
对于一般四轮乘用车，计算公式为
(8)
公式中，I为原型车单轮的转动惯量；r是原型车轮的滚动半径；Ig是原型车变速箱的传动比；I0是样机主减速器的传动比。
通过对相关参数的计算，可以得出NEDC试验工况下整个工况下车速与可回收能量功率的关系如图4所示。
本文中，由于48 V车辆采用P0布局方案，在能量回收过程中，它必须克服发动机摩擦力矩来做功，因此P3必须满足以下要求：
(9)
其中n为发动机转速。
图nedc条件下的车速和制动恢复功率
通过将P3积分到整个NEDC过程中，可以得出NEDC过程中的可回收能量为
Eb=
P3dt(10)
在这个公式中，Eb是在NEDC条件下可回收的总能量。
根据相关参数计算，Eb为0.375 kWh，平均每公里回收能量为0.032 kWh，通过回收能量，可以减少整车制动减速时的能量损失，提高燃油经济性，降低油耗。在实际道路行驶过程中，可回收功率P3是在Pr的基础上从发动机阻力摩擦扭矩中减去的工作功率。在NEDC的工作条件下，P3在大多数情况下不超过10千瓦。考虑到48 V BSG电机P0布置的48 V系统的低成本要求，P3值取10 kW。
4总结
综上，P1 6.3 kW，P2 8.76 kW，P3 10kw。其中，P1和P2是机械助推力，P3是发电。针对原型车在快速启动、功率提升和能量回收三个方面的要求，以及性价比，提出48 V BSG电机的机械功率不低于9 kW，能量回收产生的功率在48 V系统中不低于10 kW。
