48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

根據(jù)歐盟對汽車CO2排放限值的要求,至2025年,這一排放指標(biāo)須比2021年降低15.0%;至2030年,這一排放指標(biāo)須比2021年降低37.5%?目前,研究人員需要進(jìn)一步降低新款車型的CO2排放,為此應(yīng)大力推廣電氣化動力總成系統(tǒng)?除了純電動汽車和插電式混合動力汽車(PHEV)之外,全混合動力汽車(FHEV)也屬于該類車型?FHEV雖然無須進(jìn)行外部充電,但是仍能以純電動狀態(tài)行駛,特別是在市區(qū)范圍內(nèi)?

研究人員如果對德國混合動力汽車市場可公開得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,那么就能獲得如下信息:輕度混合動力汽車(MHEV)在車輛品種和價格等級方面覆蓋面較廣(圖1)?與其余系統(tǒng)相比,MHEV所減少的CO2排放較為有限?目前,已實際投產(chǎn)的FHEV車型數(shù)量相對較少,但其開發(fā)過程覆蓋了整個車型領(lǐng)域,并且FHEV的CO2排放明顯低于MHEV?PHEV的CO2排放認(rèn)證限值相對較低,但其缺點(diǎn)是成本高于MHEV和FHEV,因而通常僅用于高檔車型?從當(dāng)前市場狀況出發(fā),研究人員提出了1個新觀點(diǎn):為了降低新車型的CO2排放,必須進(jìn)一步降低整個車型區(qū)段的燃油耗?

1. 基于48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

為了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計過程,研究人員必須了解電驅(qū)動系統(tǒng)所需要的功率?除了模擬效率之外,研究人員需要使FHEV在實際行駛過程中也能實現(xiàn)具有較高響應(yīng)性的數(shù)據(jù)傳輸分析過程?Vitesco技術(shù)公司在進(jìn)行上述試驗時,為其試驗車輛和基準(zhǔn)車輛各配備了1款物聯(lián)網(wǎng)客戶端(IoT-Client),同時將汽車上產(chǎn)生的運(yùn)行數(shù)據(jù)與圖表信息相結(jié)合,隨后將其儲存到云端,方便研究人員隨時對新產(chǎn)生的問題開展試驗研究,并予以解決?

圖2示出了這種分析的結(jié)果,表明了在不同行駛環(huán)境中,動力總成系統(tǒng)對驅(qū)動功率和回收功率的分配情況?為了排除換檔過程及渦輪增壓器動態(tài)性能所產(chǎn)生的影響,并將其作為獲取數(shù)據(jù)的載體,1款C級車型在不同路段將由幾位試驗人員輪流駕駛,其總行駛里程為4887km?當(dāng)車輛在市內(nèi)行駛時,僅需要20~30kW的功率即可滿足試驗要求?因此,在長途行駛的情況下,該方案也會很好地成為實際運(yùn)行過程的重要組成部分?在回收能量時,30kW以下的功率等級依然起著重要作用,其覆蓋了幾乎所有的能量回收過程,并與道路類型無關(guān)?總而言之,在C級車型中,FHEV在市內(nèi)能以純電動狀態(tài)行駛,而在真實行駛過程中,由于其能回收較多能量,從而具有較高的效率?因此,研究人員將電驅(qū)動功率設(shè)定在20~30kW之間是較為合理的?

2. 48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)

為了滿足用戶對FHEV電驅(qū)動系統(tǒng)的要求,研究人員應(yīng)盡可能降低48V驅(qū)動技術(shù)的成本,Vitesco技術(shù)公司利用了其多年來在該領(lǐng)域內(nèi)的研發(fā)經(jīng)驗,逐步提高產(chǎn)品潛力,成功開發(fā)出了1款48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)?該系統(tǒng)能在短期內(nèi)提供較高的功率,相當(dāng)于原48V電機(jī)的200%,同時能以低于市場價格25%的前提滿足典型的高電壓全混合動力化的基本特性?

該款48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)預(yù)計將于2024年投入批量使用?在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中,該系統(tǒng)僅在5s內(nèi)即可將功率提升到30kW,并可提供70N·m的扭矩(圖3)?新型電機(jī)在20s內(nèi)能輸出高達(dá)20kW的功率,同時能以12kW的功率維持運(yùn)行?新型電機(jī)的長度為235mm,直徑僅為175mm,能以橫置形式布設(shè)于汽車前部?同時,該款電機(jī)原則上可用于混合動力汽車的多種集成型式(P0?P1?P2?P3和P4等型式)?該款新型永磁式同步電機(jī)(PSM)采用液體冷卻方式,轉(zhuǎn)速高達(dá)20000r/min?研究人員為這種PSM的定子選擇了合適的繞組?同時在轉(zhuǎn)子側(cè),研究人員對永磁鐵的布置形式進(jìn)行了優(yōu)化,通過磁阻附加的方式顯著提升了扭矩?集成在裝置中的6相換流器以功率電子器件和集成在印刷電路板上的功率半導(dǎo)體為基礎(chǔ),從而使系統(tǒng)具有更高的功率密度?目前,第1款樣機(jī)的效率已高達(dá)90%,等到其投入批量使用時,效率還將進(jìn)一步提高?

3. 試驗汽車

為了對48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)潛力及協(xié)同運(yùn)作效果進(jìn)行檢驗,Vitesco技術(shù)公司的研究人員已將采用48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的先進(jìn)能量儲存模塊(AES)與功率為4kW的48VEmicat型加熱催化轉(zhuǎn)化器集成到同1輛試驗汽車上(圖4),并利用早期開發(fā)的P2混合動力模塊作為基礎(chǔ)?其中,研究人員已用全新的高功率電驅(qū)動系統(tǒng)替換了目前仍在使用的48V電機(jī)?研究人員可為儲能器選用2種方案:(1)使用AES來驅(qū)動FMEV;(2)選擇使用1款尺寸較大的48V蓄電池,以便測試48VPHEV的技術(shù)潛力?電機(jī)可通過皮帶傳動機(jī)構(gòu)從側(cè)面集成到內(nèi)燃機(jī)與6檔手動變速器之間的位置,而內(nèi)燃機(jī)與變速器之間配備有2款能實現(xiàn)自動控制的離合器,分別為K0和K1離合器?2個電動水泵可根據(jù)需求冷卻內(nèi)燃機(jī)和電驅(qū)動裝置,因而有著較好的應(yīng)用效果?試驗車型配裝了Ford公司旗下的1款1.0LEcoBoost3缸渦輪增壓汽油機(jī)?

4. 燃油效率和機(jī)動性

模擬計算結(jié)果表明,相比未實現(xiàn)電氣化的基準(zhǔn)車型,48V高功率FMEV在WLTP循環(huán)工況中降低CO2排放的潛力提升了19%(圖5)?研究人員通過對試驗汽車進(jìn)行測量,證實了模擬計算的結(jié)果?一方面,該方案能提高能量回收的潛力,樣車的制動系統(tǒng)僅能使制動系統(tǒng)實現(xiàn)有限的調(diào)配過程,并且手動變速器需要在能量回收期間與動力總成系統(tǒng)實現(xiàn)分離,以便實現(xiàn)換檔過程?另一方面,首款48V高功率驅(qū)動樣機(jī)尚未充分展示出未來量產(chǎn)產(chǎn)品的全部潛力?即便如此,研究人員通過進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速,并充分利用電機(jī)扭矩,還能使燃油耗降低約1%?

48V高功率FMEV的能量效率不僅能應(yīng)用于WLTP循環(huán)工況中,而且也能應(yīng)用于真實的行駛過程中?以德國Regensburg地區(qū)的市內(nèi)行駛循環(huán)為例,車輛由不同試驗人員在不同行駛狀況下進(jìn)行駕駛,由此測得的百公里平均燃油耗僅為4.7L?

除了較高的效率之外,研究人員通過充分利用電機(jī)的扭矩以改善車輛的機(jī)動性?圖6示出了試驗車輛在以第3檔從20km/h加速到60km/h的過程中,其動態(tài)性能與僅使用內(nèi)燃機(jī)加速時的參數(shù)比較?研究人員通過為車輛選用電助力系統(tǒng),使其瞬態(tài)扭矩響應(yīng)時間縮短到200ms,達(dá)到最高速度的反應(yīng)時間縮短了三分之二,并使渦輪遲滯效應(yīng)得到了充分補(bǔ)償?當(dāng)內(nèi)燃機(jī)輸出最大扭矩時,系統(tǒng)通過電機(jī)又進(jìn)一步提高了驅(qū)動系統(tǒng)總扭矩?

5. AES和汽車電路

考慮到電壓系統(tǒng)共有12V與48V2種電壓類型,研究人員對混合動力汽車電路進(jìn)行了充分簡化?電路采用了1款共用2種電壓回路的儲能器?為此,Vitesco技術(shù)公司的研究人員已開發(fā)了1款配備有12V與48V2種電壓輸出端的組合式鋰離子電池,并應(yīng)用于48V高功率FMEV車型上?在AES內(nèi)部,研究人員將12V電池堆與36V電池堆進(jìn)行連接,從而能對外輸出12V與48V2種電壓(圖7)?此外,該電路系統(tǒng)還集成了1款能實現(xiàn)雙向供電,功率為3kW的直流(DC)變流器,以及適用于2種電壓的電池管理系統(tǒng)?這種試驗樣機(jī)的額定容量為1.45kW·h,并能提供高達(dá)40kW的電功率?研究人員可通過1款整體式風(fēng)扇對AES進(jìn)行冷卻,同樣也能采用液體冷卻,與適用于48V-P0系統(tǒng)的電池相似?

應(yīng)用于AES的2種電池堆分別采用了不同的鋰離子電池片?12V側(cè)使用了容量為40A·h的2個并聯(lián)電池堆,其以LFP為基礎(chǔ)?由于當(dāng)蓄電池處于荷電狀態(tài)(SoC)時,空載電壓的變化較小,因此其性能較為理想?12V側(cè)能以其較小的電壓進(jìn)行限度供電,并聯(lián)過程則確保了供電系統(tǒng)的安全性?與此相反,由于容量為28A·h的NMC電池片具有較高的功率密度,因此在36V電壓側(cè)的電池堆上得以廣泛應(yīng)用?

系統(tǒng)在換用AES后就能取消質(zhì)量較大的12V鉛酸蓄電池?與配備有2款鉛酸蓄電池和外部DC/DC換流器的方案相比,該方案除了能明顯減輕質(zhì)量并節(jié)省結(jié)構(gòu)空間之外,還具有其他優(yōu)勢?即使在12V電壓側(cè),鋰離子電池也能通過循環(huán)放電和充電來充分利用已有的電池容量?同時,儲存的能量可通過DC/DC換流器在2個電池組之間進(jìn)行來回轉(zhuǎn)換?AES能在6周時間內(nèi)將12V電壓側(cè)的電能持續(xù)提供給停放的汽車,并且不會對車輛的起動能力產(chǎn)生負(fù)面影響?最后,此類工作能力較強(qiáng)的儲能器與用于電加熱的Emicat型催化轉(zhuǎn)化器實現(xiàn)了合理匹配,即使在低溫情況下,也能確保高效的廢氣后處理過程?

研究人員已在蓄電池試驗臺和48V混合動力汽車上,分別對這種AES樣機(jī)開展了相關(guān)試驗,并且已證實了該系統(tǒng)是唯一適合于48V混合動力系統(tǒng)的電源?圖8作為實例示出了3種運(yùn)行模式:關(guān)停發(fā)動機(jī)并進(jìn)行滑行,緊接著再次起動內(nèi)燃機(jī),隨后系統(tǒng)處于相應(yīng)的能量回收階段?在停車后,電池也處于平衡狀態(tài)?

6. 采用48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的PHEV

雖然優(yōu)勢顯著,但采用48V的高功率電驅(qū)動系統(tǒng)也會引發(fā)一系列問題,即采用大型蓄電池的方案是否也適合于PHEV車型,以此節(jié)省更多的燃油?研究人員對該問題已開展了相關(guān)研究?通過外部充電,車輛能以純電動模式參與試驗過程?模擬計算結(jié)果表明,按照EU2017/1151標(biāo)準(zhǔn),采用這種配置的C級汽車經(jīng)加權(quán)平均后的每公里CO2排放能低于50g,因此目前已在許多國家作為低排放車輛加以推廣?在德國,通過購買該類車型,用戶可得到4500歐元的補(bǔ)貼?

針對PHEV的實際燃油耗與駕駛員行為之間的關(guān)系,研究人員開展了技術(shù)研討?就以本文所介紹的采用48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的PHEV為例,社會各界主要關(guān)注的是其燃油耗是否能達(dá)到柴油車的水平?因為在全球統(tǒng)一的輕型車試驗循環(huán)(WLTC)工況中,車輛會以純電動狀態(tài)通過大部分路程,因此只要采用容量為8.6kW·h的蓄電池即可滿足行駛需求?充滿電后,在后續(xù)的50km行駛路程中,車輛的百公里燃油耗為1.6L(圖9)?

7. 結(jié)語和展望

48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)為客戶提供了潛在的技術(shù)可能性,并使得電氣化技術(shù)能廣泛用于多種車型?AES作為1類結(jié)構(gòu)緊湊且功率強(qiáng)勁的能量供應(yīng)單元,能與12V與48V的汽車電路實現(xiàn)合理匹配?同時,研究人員為車輛配備了采用電加熱系統(tǒng)的Emicat型催化轉(zhuǎn)化器,即使在低溫條件下,該設(shè)備也能確保內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)清潔運(yùn)行的目標(biāo)?

48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)能保留高電壓FHEV的性能,但是該類車型系統(tǒng)成本較高?借助于48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng),相比高電壓FHEV,市場價格能降低25%?以配備有大容量蓄電池的PHEV為例,按照目前的評估結(jié)果,其成本比高電壓技術(shù)降低了10%?通過采用48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng),研究人員能對高功率FHEV的設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整?尤其在市區(qū)內(nèi),車輛能以純電動狀態(tài)行駛,或者由電助力系統(tǒng)輔助內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行,從而明顯改善車輛的機(jī)動性?

對于整個車輛型譜而言,這種功率為30kW且采用量產(chǎn)技術(shù)的新型驅(qū)動裝置有著較好的應(yīng)用前景?同時,研究人員已從平臺的適用性出發(fā),對其尺寸大小進(jìn)行了優(yōu)化,從而使其在WLTP循環(huán)工況內(nèi)的CO2排放幾乎降低了20%,并且在48V-PHEV的設(shè)計過程中又能實現(xiàn)更理想的節(jié)油效果?在上述領(lǐng)域,研究人員通過選用合適的電機(jī),有效降低了整車CO2排放?就未來純電動汽車方案而言,48V高功率技術(shù)是其唯一適用的驅(qū)動解決方案,并且在成本和裝配方面均具有明顯的優(yōu)勢?