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電動化車輛之皮帶式啟動/發電驅動控制技術

摘要"

根據歐盟報告顯示2025年汽車二氧化碳排放量目標為75g/km,因此如何提升車輛燃油性能及降低車輛排放量為相當重要之研究議題,然而眾多技術中又以皮帶傳動啟動與發電(Belt-driven Starter and Generator, BSG)系統技術成本效益較高,因對車輛系統整體改變幅度最小且根據發表數據顯示可降低車輛油耗及二氧化碳排放量10%~15%[1]-[2]。本文針對皮帶傳動啟動與發電整合系統進行研究,透過控制感應馬達依據整車控制器之需求,操作於引擎啟停、加速助力、減速回生發電與一般發電控制,進而改善車輛燃油效率與減少排氣污染。

關鍵詞:皮帶傳動啟動與發電、引擎啟停、加速助力、減速回生發電

現今石化能源的過度使用,造成地球溫室效應導致全球暖化以及對環境造成嚴重影響,國際能源署(International Energy Agency, IEA)估計到2035年全球能源需求將比2008年增加36%,達到167億百萬噸油當量,且20年後的車輛數量將較現在成長高達10倍,屆時對於環境的污染以及即將枯竭的能源更是雪上加霜。近年來空氣汙染日益嚴重,由其是霾害之影響更為甚大,根據台北市環保局公佈之數據顯示35%的細懸浮微粒來自於汽機車排放[3],因此各國均訂定相關法規來降低汽機車廢氣碳的排放量,圖1為各國所訂定之二氧化碳不同年分排放圖,由圖中得知歐盟新車之平均CO2排放值於2015年達到120g/km 之目標,且於2025年車輛二氧化碳排放量目標為75g/km。南韓與歐盟於2020年訂定達到低於100 g/km 之目標。因此如何降低車輛二氧化碳排放量以及提升車輛燃油效率為車輛業之重要議題。

BSG系統簡介

傳統車輛中在車輛啟動時需透過啟動馬達帶動引擎至一定轉速後,才能完成引擎啟動,且當車輛啟動完成後需透過一發電機將電力轉換成12V電源對車上蓄電池充電及提供車上負載所需之電力來源。然而BSG系統將啟動馬達與發電機整合在一起,故可以降低系統整體體積,BSG系統架構如圖2所示,系統包含BSG馬達、DC/AC驅控器、電池/電池管理系統(BMS)、直流/直流轉換器(DC/DC converter)及混合動力控制器(HCU)[5]。BSG系統之動作依據能量流動方向可分為驅動或發電,在驅動操作條件下混合動力控制器下達所需之扭力命令給BSG,BSG透過48V電池供應能量給DC/AC驅控器進行驅動,且在不同引擎轉速下可分為引擎啟動驅動、加速助力驅動。在發電操作條件下混合動力控制器下達所需之煞車扭力或發電功率命令給BSG,BSG所發電之能量透過DC/AC驅控器轉換為直流電儲存於48V電池,在不同引擎轉速下可分為定轉速發電、定功率發電或減速煞車發電。直流/直流轉換器可進行雙向能量流動,依據48V與12V電池電量狀態,可操作於48V電池經由直流/直流轉換器降壓對12V電池充電或12V電池經由直流/直流轉換器升壓對48V電池充電。
BSG系統功能依據車輛操作於不同狀況下主要可分為以下幾點[6]-[7]:
1. 起停功能:接收HCU命令以實現起動或停止功能。當車輛處於停止等待運行狀態時關閉引擎,進而減少引擎運轉油耗,且當車輛需運行時透過BSG啟動引擎運轉縮短車輛啟動時間。
2. 加速助力:在引擎低轉速下能夠能提升驅軸輸出扭矩,以及在車輛加速時透過引擎與BSG扭矩輸出疊加改善加速性能,優化換檔策略以達到最優節油效果。
3. 發電:接收HCU所需之發電命令大小進行發電,進而達成引擎與BSG之工況協調輸出控制。
減速回生發電:當車輛進行減速時,接收HCU給BSG之減速扭矩命令進行控制,達成系統能量回收功能。
圖3為模擬車輛自動啟動、加速助力、定速發電、煞車能量回收至自動停機時序,從圖中可得知BSG各種不同功能之操作時間點,當操作於自動啟動功能時,車輛啟動瞬間透過BSG帶動引擎達到啟動額定轉速並保持於該轉速下運轉,當車輛於低速行駛或BSG可驅動轉速下可經由BSG進行加速助力模式以達到最佳節油效果,並於車速固定或BSG可發電轉速下進行發電模式協調輸出扭矩管理控制,然而當車輛速度需下降也就是進行煞車時,經由減速回生發電模式將動能轉成電能儲存於蓄電池以提供加速助力模式所需之電力,最後當車輛停止且車輛煞車踏板採下,進行自動停機模式經由BSG將引擎轉速在極短時間內降低至零轉。……(更多內容,請見機新刊雜誌)

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