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B-ISG混合动力汽车
时间:2006年09月05日12:02 我来说两句  

 
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作者:同济大学 徐 乔

   B-ISG(Belt-driven Integrated Started Generator)技术采用皮带驱动起动/发电机一体化,对现有汽车动力总成结构改动尽量小,改善汽车燃油经济性、排放等各方面的指标。
这是ISG(Integrated Started Generator)轻度混合动力汽车的全新发展。

  在诸多新能源汽车解决方案中,成功实现了产业化的只有混合动力汽车,发动机和电机驱动相结合已经成为混合动力车的主流。混合动力汽车可分为轻度混合型、中度混合型和重度混合型三类,在三类混合动力车型之中,尽管轻度混合动力汽车在降低油耗和改善排放方面的能力有限,但由于其对现有内燃机汽车的改造成本最低,效果明显,适合推向市场。皮带驱动的起动/发电机一体化B-ISG(Belt-driven Integrated Started Generator)是在ISG(Integrated Started Generator)轻度混合动力汽车技术的基础上用皮带驱动技术,拥有其独特的工作特性与优点。

  结构简介

  ISG技术是基于起动机/发电机一体化的轻度混合动力汽车。它将盘式一体化起动机/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起动机和发电机,作为汽车的辅助动力源。如图1左所示。本田(Honda)混合动力汽车Insight车即使用了ISG系统。

  图1右所示的就是B-ISG(Belt-driven Integrated Started Generator)系统结构。在发动机前端用一个皮带传动的机构,将交流发电机和发动机联结起来,并把起动机(starter)同样连接在交流发电机的机构中,节省了内部空间。同时,皮带具有质量轻的特点,与齿轮传动比较,大大降低了整个动力总成结构的质量。这样的结构布置相比ISG系统,发动机和其他的动力总成结构没有改变,可以沿用传统车辆的飞轮、离合器和变速器等机构,可以在现有传统的动力总成结构上进行很小的改动获得,大大减小了机构的复杂程度。

  工作过程

  B-ISG轻度混合动力汽车在不同行驶工况下的工作情况:

  减速工况:驾驶员的脚离开加速踏板,踩下制动踏板,制动能量回收马上开始工作,向起动/发电机传送了一个信号,使其将车辆的动能转化成电能并存储起来,驾驶员将档位挂至空档,车辆不再向发动机供油,关闭发动机,车辆逐渐停止。

  停车工况:控制系统自动切断内燃机供油,发动机处于关闭状态(车内其他附属设备,如空调系统等可由蓄电池供电)。

  起动工况:重新起动车辆,驾驶员挂一档,B-ISG系统马上由起动/发电机带动皮带拖动发动机,使发动机达到怠速转速,发动机供油开始,脚踩加速踏板(从怠速到起动的过程中,会有约250ms的延迟,给驾驶者的感觉是发动机并没有关闭过)。

  正常行驶工况:发动机正常工作,驱动汽车。?

  如图2所示为B-ISG系统各种能量流传递示意图。B-ISG由动力电子设备控制,42V蓄电池一方面为电子设备控制系统提供电力,另一方面,通过DC/DC转换器,变换成12V,为车辆其他电子系统提供电力。

  系统特点

  B-ISG系统兼有ISG系统的很多优点,如支持42V电源系统,满足目前正在日益提高的汽车电器负荷,车辆上的辅助设备都可以改成直接用电来控制,提高设备效率。可以实现发动机自动起停、电动助力、高效大功率电能输出和制动能量回收等功能,既可改善整车的燃油效率和排放性能,又可提高整车的动力性。 与ISG相比B-ISG又有其自身的特点:

  (1)ISG系统技术需要在现有内燃机汽车的动力总成上进行很大的改动,这为以后的维修保养带来了极大的不便,大大提高了使用ISG技术的混合动力汽车的成本。B-ISG系统结构较之ISG结构更加简单,特别是对原有发动机的动力总成的改装相对比较容易,对于汽车厂商来说更加适合推向市场,适合大规模的生产。

  (2)B-ISG采用皮带驱动作为中间挠性件来传递动力, 相对于采用齿轮传动装置,皮带驱动平稳、无噪声,而且结构简单,方便维修。皮带具有轻质,易拆卸更换、相对造价较低的特点。但是皮带驱动需要增加一定的附件,如张紧装置。同时,皮带的滑动以及其迟滞效应,会出现功率损失,皮带的发热、磨损损坏等问题,皮带的寿命也是一个比较重要的因素。

  (3)B-ISG系统能够改善燃油的经济性。其最主要的就是它改善了汽车在起步时候的工作状况,取消了怠速工况,可以使燃料消耗量在城市工况下下降15%~25%,降低CO2的排放。但B-ISG汽车在加速时,电机并不助力,所以对燃油经济性的改善能力有限,只适合在城市工况下使用。

  (4)在起动能力方面,传统的起动机在冷起动时的表现要优于B-ISG系统,而B-ISG系统则更适合在已经起动的发动机的起动。

  实际运用

  由法雷奥(Valeo)公司、英国交通部、福特汽车,里卡多(Ricardo)联合有限公司和盖茨(Gates)公司共同合作研发的HyTrans是欧洲第一辆采用B-ISG的柴油轻度混合动力城市运货车。HyTrans是以福特Transit T280柴油车为基本车型,装配有由法雷奥提供4KW 42V皮带驱动的起动/发电机,即B-ISG系统[法雷奥公司称之为StARS(belt-driven combined starter/alternator)系统];通过盖茨公司的前端辅助驱动FEAD(Front End Ancillary Drive)系统连接发动机。其它附属设备还包括:1.5KW起动/发电机,14/42V电源系统的DC/DC转换器,36V的铅酸蓄电池和法雷奥蓄电池管理系统(BMS)等。

  皮带驱动有其自身的特点,相应需要增加一些附件,盖茨公司的前端辅助驱动FEAD(Front End Ancillary Drive)系统为HyTrans的B-ISG系统的高效运行提供了可能,FEAD系统是在盖茨公司的电控机械驱动Electro-Mechanical Drive(EMD)技术上改进而得,其中包括:张紧轮、能承受高载荷的Micro-V 皮带和一个高性能的曲轴消声装置。张紧轮的设计能抵抗强烈的振动,为整个驱动系统提供稳定的阻尼,在汽车起动和发电模式时提供最佳的皮带张力。新Micro-V 皮带技术是由合成材料组成,能够在更大的温度范围内提供更高的负载能力和更长的使用寿命。这种可以承受高扭矩的皮带经过了50多万次的起动和24万多公里测试。曲轴消声器解决了噪声、振动和刺耳的声音等问题。

  因为HyTrans是一辆城市内的小型货运车,根据其行驶的特点,其燃油经济性与原车型进行比较,如上表所示。

  从表中我们可以发现,在挨家挨户(Door-to-Door)的城市送货模式中,HyTrans的燃油消耗量有着很大的改善。这说明B-ISG系统特别适用于起动/停止频繁的城市工况。21.3%的燃油经济性的改善,不仅大大减少了油耗,同时,汽车排放也得到了显著的改善。在其他两种循环模式,特别是在新欧洲行驶循环(NEDC)下,其对提高燃油经济性帮助较小。

  除了福特的HyTrans之外,奇瑞集团成立的国家节能环保汽车工程技术研究中心,自主开发了奇瑞BSG混合动力汽车,也采用了类似B-ISG的模式:发动机与起动/发电机之间采取皮带传动方式进行动力传输,以发动机为整车的驱动动力源,起动/发电机系统用于实现发动机的快速起动,在正常行驶工况下,BSG和常规汽车发电机一样由发动机驱动起动/发电机发电,给蓄电池充电,当车辆停下时,发动机运转停止,消除怠速状态,再起动时,BSG起动/发电机快速起动发动机。奇瑞BSG动力系统由1.6L汽油发动机,5速手动变速器,2kW起动/发电机和12V的铅酸蓄电池组成。在城郊综合工况下油耗为6.3L/100km,排放达到欧Ⅳ标准。

  通用汽车公司也推出了以皮带传动起动/发电机的轻度混合动力汽车,并称之为Belt Alternator Starter(BAS)。通用汽车公司的BAS系统包括以下几个组件:起动/发电机单元,新的发动机附件(两个张紧轮和皮带,用以承受发电机和起动机的扭矩),一个发动机控制模块,42V的镍氢(NiMH)蓄电池(能够释放接受大于10kW的峰值功率)等。通用汽车也会分别在今年和2007年将此系统应用于土星(Saturn)VUE及雪佛兰Malibu车型上,拭目以待。

  与ISG混合动力车一样,B-ISG混合动力汽车同样属于轻度混合动力汽车,但B-ISG系统结构简单,成本低,适用于对价格较为敏感的经济车型,特别适合城市某些专门用途的车辆。对特定行驶工况的燃油消耗量的减少有着突出的作用。

  B-ISG系统的使用推动了汽车配件和零部件的生产。特别是对用皮带传动的研究,皮带的材质的选择,使得皮带的耐热,抗疲劳等各方面的性能指标有了极大的提升。但是,诸如皮带滑动,效率的损失问题依然存在。 选自《汽车与配件》

  

(责任编辑:杨文)


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