轿车微混合动力系统和轻度混合动力系统综述.docx

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轿车微混合动力系统和轻度混合动力系统综述

c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。

2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

BSG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

2.4.2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：

32mpg

0－60mph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：

<12kg

NiMH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：

10kW

SaturnVUE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：

1.6L

5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；

●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

图11曲轴集成式ISG电力系统结构

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：

1.4L

i-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：

108Nm

NiMH动力电池

容量：

5.5Ah

额定电压：

158V

最大放电功率：

16.1kW

最大充电功率：

13.3kW

该混合动力系统的特点：

●发动机配备了3阶段可变气门正时系统（3Stagei-VTEC），根据发动机转速，可切换进排气凸轮轴正时。

并可实现完全关闭气门，禁止发动机换气，从而完全消除发动机的泵气损失功率。

在高速车辆减速，发动机倒拖工况中配合断油功能一起实现了发动机停缸技术，从而最大程度上减少了发动机油耗。

如图15所示；

（a）

（b）

图15本田IMA混合动力系统3阶段可变气门正时系统

●经过几轮系统优化设计，在保持系统性能的前提下将系统部件体积、重量很大程度上的简化到了最小；

●综合能量管理。

将混合动力的加速助力、制动能量回收、智能高效率充电、快速启停功能与发动机的i-VETC功能结合协调控制，实现了整车经济性、排放和动力性的优化控制。

其功能原理如图16所示；

图16本田IMA混合动力系统功能原理图

●虽然功能丰富，改善经济性、动力性及排放潜力大，但系统成本与皮带式系统相比要高很多。

3.4.2奇瑞ISG混合动力系统

奇瑞于2005年在汽车清洁能源展览会上展出了配备曲轴集成式启动电机发电机轻度混合系统的轿车。

其系统主要配置参数如表4。

表4奇瑞ISG系统配置

汽油发动机

排量：

1.3L

5速手动变速箱

最大扭矩：

118Nm/3800rpm

最大功率：

65kW/6000rpm

永磁同步电机（配有DCDC）

额定功率：

10kW@1500rpm

最大功率：

15kW@1200rpm

最大转速：

10000rpm

最大扭矩：

140Nm

NiMH动力电池蓄电池

容量：

8Ah

额定电压：

144V

最大放电电流：

150A

最大充电电流：

120A

该系统的主要特点：

●电机替代了原有发动机的飞轮及飞轮壳，通过曲轴直接进行扭矩输出；

●系统功率为10kW，可实现快速启停发动机、加速助力、制动能量回收功能，从而在改善发动机动力性、经济性和排放上比皮带式系统提供了更大的潜力；

●但由于系统功率大，需要采用144V高压电力系统，并采用高压NiMH动力蓄电池及DCDC变换器，增加了系统成本。

4国内技术路线建议

发展我国混合动力有两条技术路线值得重视：

一是轿车混合动力的模块化。

通过功能模块的发展与组合逐步推进汽车动力的电气化。

从只具备自动启停、怠速关机功能的“微混合（micro-hybrid）”、以并联式混合动力发动机为主体的“轻混合（mild-hybrid）”和以混联式为特征的“全混合（full-hybrid）”，随着电功率的比例逐步提高，最终过渡到串联式“可充电混合（plug-in-hybrid）”。

二是城市客车混合动力系统的平台化。

发电机组+驱动电机+储能装置构成了混合动力系统的基本技术平台。

通过换用不同的辅助动力总成（APU）适应从汽、柴油内燃机到氢能燃料电池各种不同的能源动力转化装置，形成油—电、气—电、电—电各种不同混合动力，促进动力系统的平稳过渡与转型。

我国城市道路和市内交通状况比较适合发展混合动力汽车，从技术路线选择上建议轿车从BSG和ISG开始，逐步发展到深度混合动力，而对于客车如城市公交车，则从串联式混合动力开始，逐步向具有可充电功能的Plug-in混合动力方向发展。

4.1轿车混合动力发展路线建议

由于自动启停和制动能量回收功能只在频繁启停车辆的工况下才能发挥最大效用，因此微混合动力和轻度混合动力系统主要面向城市轿车。

从传统内燃轿车向混合动力的转变过程中，市场化进程受到的主要障碍之一就是成本。

因此，应首先发展超低成本的皮带式BSG混合动力系统，采用小功率ISG电机和蓄电池，电机控制器使用通常的14V网络。

超低成本的14V-BSG系统逐渐被人接受时，进一步将电机控制电压提高到42V，提高其效率，改善燃油经济性。

BSG混合动力系统比传统内燃汽车的成本增加不多，可面向各种类型城市轿车。

随着蓄电池和超级电容技术的发展和成本降低，将ISG电机和蓄电池的功率增大，并引入超级电容优化系统的结构和性能，逐步过渡到曲轴集成式ISG系统。

曲轴集成式ISG系统由于系统部件较多，受成本限制，主要面向中高档轿车。

4.2客车混合动力发展路线建议

以城市车辆为重点，加大各种混合动力公交车辆的开发、示范和推广。

“发电机组+驱动电机+储能装置”构成的串联式混合动力系统技术平台是一个基本的技术平台，不仅能够应用于以内燃机为原动机的传统概念汽车，也能应用于以氢能燃料电池系统为动力的新能源汽车，更是纯电动汽车的重要技术基础，未来通过扩大电池容量，方便地过渡到一各种能源为基础的可充电式混合动力汽车。

因此通过建立以串联式混合动力系统为基础的统一平台，通过平台化、系列化实现规模化，通过规模化推动高端技术——燃料电池汽车商业化。

4.3电力供应基础设施发展路线建议

以我国在世界上独一无二的年产销量超过千万辆的电动自行车产业为基础，改变传统的汽车文化习惯并修定相关的标准法规，以微型车为主体，通过发展适合我国国情、具有我国特色的微型纯电动车辆，带动供电基础设施的发展。

附录：

美国关于限制怠速的相关法规

中文译版

2001年5月，美国国家能源政策要求美国环保署与货车运输工业合作，减少卡车在州际公路怠速停车时的排放和降低燃油消耗，比如使用电动或辅助能量单元，以减少输送石油燃料的需求。

国家能源政策的完整版本可以从http:

//www.whitehouse.gov/energy/下载。

高效运输伙伴计划，是美国环保署和货运工业的自主合作计划，旨在提高能源效率和能源安全，有效降低空气污染和温室效应，其重要内容之一是限制发动机怠速。

该伙伴计划建立了基于市场的强大激励体制，要求船运、货运和铁路公司改善其在货运过程中的环保性能。

高效运输伙伴计划提高能源效率，节省开支，降低温室气体排放，改善空气质量。

2003年，加利福尼亚空气资源委员会（CARB）采纳了关于学校公交车空气传播毒素的控制措施，以限制学校公交车和其它车辆（不管使用何种燃料）在学校附近的怠速。

学校公交车、运输车和商用车一旦到达学校，不管学校是否正在开课，驾驶员必须关闭发动机，且在离开前30秒不能启动。

如果停在离学校100英尺的范围内，学校公交车驾驶员应关闭发动机且在离开前30秒不能启动，而运输车和商用车的连续怠速时间不能超过5分钟。

离学校大于100英尺的地方，学校公交车每次停车连续怠速时间不能超过5分钟，交通堵塞或操作残疾人等有特殊需求的人所必需的气候控制仪器除外。

2004年，加利福尼亚空气资源委员会（CARB）采纳了另一空气传播毒素的控制措施，限制重型柴油车的怠速，以降低柴油微粒、其它有毒气体及空气污染物的排放。

该类车辆驾驶员应确保车辆的主要发动机或其柴油驱动辅助功率系统，在任何位置处于怠速状态不能超过5分钟，特殊情况除外。

英文原版

InMay2001,thePresident'sNationalEnergyPolicydirectedEPAto"developwaystoreducedemandforpetroleumtransportationfuelsbyworkingwiththetruckingindustrytoestablishaprogramtoreduceemissionsandfuelconsumptionfromlong-haultrucksattruckstopsbyimplementingalternativestoidling,suchaselectrificationandauxiliarypowerunitsattruckstopsalonginterstatehighways."

AfullcopyoftheNationalEnergyPolicy（3.1MPDF,170pp.）isavailablefromhttp:

//www.whitehouse.gov/energy/ 

ReducingengineidlingisanimportantcomponentofEPA'sSmartWayTransportPartnership,acollaborativevoluntaryprogrambetweenEPAandthefreightindustrythatwillincreasetheenergyefficiencyandenergysecurityofourcountrywhilesignificantlyreducingairpollutionandgreenhousegases. ThePartnershipcreatesstrongmarket-basedincentivesthatchallengecompaniesshippingproducts,andthetruckandrailcompaniesdeliveringtheseproducts,toimprovetheenvironmentalperformanceoftheirfreightoperations. SmartWayTransportpartnersimprovetheirenergyefficiency,savemoney,reducegreenhousegasemissions,andimproveairquality.

In2003,CARBadoptedaschoolbusATCMthatregulatestheidlingofschoolbusesandothervehicles,regardlessoffueltype,nearschools（gradesK-12）.Onarrivalatschools,whetherinsessionornot,schoolbus,transitbus,andcommercialvehicledriversmustturnofftheirenginesandmaynotturnthemonmorethan30secondsbeforeleaving.Ifstoppedwithin100feetofaschool,schoolbusdriversmustturnofftheirenginesandrestartnomorethan30secondsbeforedeparting,whiletransitbusesandcommercialvehiclesmayidlenomorethan5consecutiveminutes.Atlocationsmorethan100feetfromschools,schoolbusesmayidlenomorethan5consecutiveminutesp