轿车微混合动力系统和轻度混合动力系统综述

1c轿车微混合动力系统和轻度混合动力系统综述1引言节能和环保是目前车用动力系统发展的两大主题。混合动力技术是联结现有车用内燃机节能环保技术与新能源汽车技术之间的桥梁。根据电功率占输出功率的比例，混合动力系统的演化进程表现为：微混合—轻混合—深混合—全混合，如图1所示。图1混合动力系统演化进程“微混合”具备自动启停、怠速关机功能；“轻混合”以并联式混合动力发动机为主体；“深混合”以混联式为特征；随着电功率的比例逐步提高，混合程度不断增强，最终过渡到可充电式的串联式“全混合”。图2混合动力系统的不同构型混合动力系统按构型可分为串联混合动力、并联混合动力和串/并联混合动力，如图2所示。微混合动力系统和轻度混合动力系统的构型多采用并联，本报告将进行详细介绍。22微混合动力系统2.1构型微混合动力系统的典型代表是皮带轮式的启动/发电一体化电机，即BSG（Belt-DrivenIntegratedStarterGenerator)，其结构如图3所示。BSG系统在发动机曲轴前端安装一个启动/发电一体化电机，电机和曲轴通过皮带进行传动。图3BSG系统示意图BSG电机逆变器可以使用14V或者42V电压，当采用14V系统时，图3中的DC/DC可以略去，电机电源网络与传统14V网络相同，系统改动很小。2.2功能：能够实现发动机自动启停自动起停：车速为0，则迅速停止发动机；制动踏板抬起，则迅速启动发动机；启动迅速、安静、平稳：在0.4秒内将发动机安静拖动至600rpm以上；低温启动能力强：具有传统发动机所没有的低温快速起动的能力；发电功率大，效率高：和传统的发电机相比，能够带动车上更多的电器和电子负载，同时发电效率提高到约85%；可以降低油耗：可为节油做出突出贡献，可降低油耗6%~10%，在象北京这样的交通拥挤的大城市油耗可以进一步降低；优化发动机控制：为减少排放，发动机水温/催化器温度未达到设定值时，不停止发动机。2.3成本3BSG系统无需对传统车辆进行大范围改动，尤其是14V系统，只需将传统发电机和启动机更换为ISG电机，技术改造简单易行，改造成本很低，产业化的可能性很大。BSG系统也可以进一步采用42V的电池。42V的电池系统比14V电池系统的成本大，但能够进一步提高BSG的功率范围，和其它深混合或者全混合动力系统相比，也具有足够的优势。2.4国内外BSG系统举例2.4.1法国的法雷奥（VALEO）的StARS微混合动力系统法雷奥主要从五个重要领域改进车辆燃油经济性，分别是功率需求、热管理、传动自动、混合化和发动机运转，如图4所示。其中，微混合StARS系统（Starter-AlternatorReversibleSystem）是混合化的重要内容。图4法雷奥改进车辆燃油经济性的五个重要领域StARS系统的主要部件如图5所示，有可逆电机、电力电缆和电机逆变器。该系统可以在停车后立即关闭引擎，因此，在因红灯或交通阻塞而使汽车停下时，该技术可节约燃料、降低污染。只要一挂档或放开刹车，汽车就会快速安静地自动重启。此项自动启停的创新技术减少了大气污染，同时燃料消耗平均降低了12%。这种微混合系统目前用于雪铁龙C2和C3刹车和启动装置。雷诺原型车上安装法雷奥StARS系统后，城市工况下的二氧化碳排放和燃油消耗量各降低了10%，混合工况下则各降低6%，如图6所示。图7是法雷奥的混合动力技术路线，微混合动力系统是混合化的第一步。如果StARS系统的成本和收益总和为100%，那么付出20%的成本，就可获得80%的4收益。法雷奥的StARS系统在欧洲产品类中赢得2006年汽车供应商杰出贡献奖。图5法雷奥StARS系统主要部件图6典型城市轿车上StARS系统对排放和油耗的改善图7法雷奥的混合动力技术路线52.4.2通用SaturnVUE混合动力系统图8通用SaturnVUE混合动力系统美国通用汽车公司于2006年底在其SaturnVUE2007款多功能车平台上安装了皮带式启动电机发电机系统，并实现了量产。尽管通用公司的皮带式启动电机发电机系统并不是第一个实现的量产的系统（法国雪铁龙等公司在其前已将此技术量产），但其举动已充分表明了世界汽车工业界对此项技术的重视和对此技术未来市场的看好。系统构成如表1。表1VUE系统构成整车性能城市油耗：27mpg高速路油耗：32mpg0－60mph加速时间：10.2s比传统VUE车改善20%汽油发动机排量：2.2L可靠的皮带张紧系统最大扭矩：220Nm/4400rpm最大功率：127kW/6600rpm改进的AT变速器改进Lundell电机最大助力功率：4kW发电最大功率：5kW(电功率)助力最大扭矩：60Nm质量：12kgNiMH动力电池额定电压：36V重量：25kg最大放电功率：10kW最大充电功率：10kWSaturnVUE系统特点：最大限度的利用了皮带式系统的功率(5kW)，并设计了可靠的张紧系统，保证皮带系统在恶劣环境下的打滑问题；由于系统功率大，可充分实现快速启停发动机(取消怠速)、减速倒拖断油、制动能量回收、智能电池充电等混合动力功能。其混合动力功能原发动机控制算法改进2.4L四缸发动机，164马力@6300r/min先进镍氢电池，具有自动切断保护功能先进的双向张紧尼龙皮带带有三相电缆的ISG带有DC/DC转换器和逆变器的功率电子改进的带有助力泵的自动变速器6理如图9所示；解决了与AT变速器一起使用的一些问题；系统虽然功能丰富，但系统成本更高，与14V系统（如奇瑞BSG系统）相比更适合于高档轿车。图9通用SaturnVUE混合动力系统功能一览2.4.3奇瑞BSG系统奇瑞于2005年在汽车清洁能源展览会上展出了配备皮带式启动电机发电机微混合系统的轿车。其系统主要配置参数如表2。表2主要配置参数汽油发动机排量：1.6L5速手动变速箱最大扭矩：147Nm/4300rpm最大功率：87kW/6000rpm爪极电机额定功率：1.5kW最大功率：3kW最大转速：18000rpm最大扭矩：30Nm阀控VRLA铅酸蓄电池容量：75Ah额定电压：12V最大放电电流：650A最大充电电流：120A该系统的主要特点：系统电机通过皮带于发动机连接，可实现发动机快速启停，从而实现怠速停车功能；系统电机功率为2kW，仅为满足快速启停发动机的需要。这样电力供应仍可以采用现有的14V系统，省去了高压系统中DCDC及高压蓄电池等部件；7电池则采用价格相对便宜性能优越的VRLA铅酸电池，于现有系统兼容，且成本低于NiMH电池。因此，此系统结构简单、重量轻、对整车原有结构改动很小、成本低，适用于对价格较为敏感的经济车型。3轻度混合动力系统3.1构型轻度混合动力系统的典型代表是曲轴集成式ISG(IntegratedStarterGenerator)，其结构如图10所示。曲轴集成式ISG系统将盘式一体化启动机/发电机直接安装在内燃机曲轴输出端(ISG转子与曲轴联结)，取代了飞轮以及原有的启动机和发电机。根据ISG电机控制系统电压不同，可以将ISG系统分为低压系统和高压系统,如图11所示。图10曲轴集成式ISG系统示意图DC/DC高压蓄电池12V蓄电池DC/ACISG电机200V36V蓄电池DC/ACISG电机200VDC/DC12V蓄电池超级电容(b)高压蓄电池直接连接高压系统(c)36V蓄电池中间DC/DC高压系统DC/DCDC/DC36V蓄电池12V蓄电池DC/ACISG电机42V(a)低压系统图11曲轴集成式ISG电力系统结构8对于小功率ISG电机，直接使用36V蓄电池与DC/AC逆变器相连，构成低压（42V）系统，图11a，结构简单成本低。对于高压（200V）电力系统有两种结构，如图11bc。由于传统轿车12V电器系统的存在，两种方案均需配备单向DC/DC为现有12V蓄电池充电。方案b是通过高压蓄电池直连DC/AC逆变器为电机供电。电池电压不仅应满足电机电压，电池功率还应满足电机最大功率。因此所需电池为高压功率型蓄电池。这种方案虽然结构简单，但对电池要求较高。方案c是通过中间DC/DC使用低压36V蓄电池为高压系统供电，对电池电压要求大大降低。并通过在高压母线上并联超级电容以满足短时电机功率需求。与方案a相比，此方案对电池的要求大大降低为低压能量型，但增加了高压双向DC/DC和超级电容等部件。3.2功能3.2.1发动机自动启停车速为0，则迅速停止发动机；刹车踏板抬起，则迅速启动发动机；在0.5秒内(低温-29℃在0.8秒内)将发动机安静拖动至750rpm以上；发电效率提高到约88%；可为节油做出突出贡献，降低油耗7%；为减少排放，发动机水温/催化器温度未达到设定值时，不停止发动机。3.2.2加速/超车助力改善发动机扭矩特性，提供更好的加速能力，如图12所示；优先使用电机提供加速扭矩，减少发动机动态过程，对于降低油耗、减少排放具有重要贡献；当需求扭矩超出原有发动机能力时，电机/发动机同时出力；系统总体功率为发动机功率+电机功率之和。(a)汽油机(b)柴油机图12曲轴集成式ISG系统改善发动机扭矩特性3.2.3巡航：优化发动机效率/排放，高效率发电根据发动机工作点，调整电机发电扭矩，使发动机工作在经济区(高负9荷区)，同时避开排放恶化区域(小负荷/外特性区)；将这部分电能储存起来，用于将来启动发动机或加速助力；电力电子/电池系统的能量存储效率应尽量高，以免浪费能量；发动机/电机需要进行扭矩协调控制，以保证发动机输出扭矩不变。图13曲轴集成式ISG系统巡航功能3.2.4制动：能量回收+发动机断油将白白浪费掉(通过制动器转换为热)的车辆动能回收，储存在电池中，供今后使用；为节油做出突出贡献，通过制动一项，可降低燃油消耗7~8%；为保证制动安全，原有机械制动器仍然保留；制动过程中发动机断油(但依旧被动旋转)，减少油耗；制动过程结合停缸技术，关闭气门，进一步减少功耗；如果电池SOC过高，为保证电池安全，则禁用制动能量回收功能；城市工况中存在大量轻度制动过程。3.2.5发动机减排量通过电机进行低速扭矩补偿，改善发动机低速扭矩特性，改善超车性能；通过电机高速扭矩输出，改善了车辆的超车特性；因此，发动机的输出功率只需满足稳态巡航需求即可，大大降低了对发动机的功率需求，从而减少发动机排量，减少油耗，为降低油耗作出了第三个重要贡献。3.3成本曲轴集成式ISG系统的成本主要在DC/DC、电机及其逆变器和蓄电池，带超10级电容的系统则还增加了超级电容的费用。相比于皮带式ISG，曲轴集成式成本有所增加；但和深混合及强混合系统相比，由于ISG轻度混合系统所需要的电机和蓄电池功率均较小，因此成本又相对较低。3.4国内外ISG系统举例3.4.1日本本田IMA混合动力系统图14本田IMA混合动力系统日本本田公司早在2001年就在其Civic轿车上推出了配备IMA(IntegratedMotorAssist)系统的混合动力版本，并实现了量产。并于2003年和2005年分别在其Civic和Accord上推出了安装此IMA系统的混合动力轿车。最近，在最新的2006版Civic和2007版Accord上，本田公司又对其混合动力系统进行了升级。所有本田公司推出的混合动力轿车都是基于其IMA混合动力系统。此系统即ISG系统，通过在发动机飞轮处安装电机构成轻度混合动力系统，实现快速启停、发动机助力、制动能量回收、倒拖断油等功能。其IMA系统可谓现今最成熟的量产ISG系统。系统配置如表3。表32006Civic系统配置整车性能油耗：31km/L(日本10-15工况)0-100km/h加速时间：12s汽油发动机排量：1.4Li-VETC三段可变气门正时最大扭矩：119Nm/3300rpm最大功率：63kW/5700rpm直流无刷电机助力最大功率：10kW发电最大功率：12.3kW助力最大扭矩：62Nm/103Nm(CVT)发电最大扭矩：108NmNiMH动力电池容量：5.5Ah额定电压：158V11最大放电