奔馳48V車載電氣系統(tǒng)剖析（四）

阿 偉

5.ISA的位置

ISA的位置如圖24所示。功能示意圖如圖25所示。

┃圖24 ISA位置

┃圖25 ISA功能原理圖

功能示意圖表明集成式啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連。在此示例中, 發(fā)動(dòng)機(jī)有6個(gè)燃燒室和1個(gè)曲軸。扭矩請求由駕駛員通過加速踏板指示并由電控多端順序燃料噴注/點(diǎn)火系統(tǒng)（MESFI）控制單元處理。ISA基本上獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并由啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)控制單元控制。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和控制單元之間必要的通信通過諸如控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線等通信連接進(jìn)行。

6.點(diǎn)火角干預(yù)

基于車型的發(fā)動(dòng)機(jī)控制的主要參考變量是駕駛員扭矩請求,其用于計(jì)算各汽缸和工作循環(huán)規(guī)定的充電、空氣量、基于扭矩模型，用于操作發(fā)動(dòng)機(jī)的其他參數(shù)據(jù)此確定, 以設(shè)定所需扭矩。這些其他參數(shù)包括：節(jié)氣門角度、凸輪軸位置、點(diǎn)火角、噴油量和噴射時(shí)間。在特定行駛條件或操作模式變化期間, 例如, 可變氣門升程系統(tǒng)（CAMTRONIC）切換過程中, 在最佳工況下, 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩可能會(huì)比駕駛員操作策略等請求的扭矩更大。對于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī), 超出的扭矩通過切換點(diǎn)火角進(jìn)行補(bǔ)償, 這會(huì)降低燃油經(jīng)濟(jì)性。

7.分段同步控制

在分段同步控制情況下，一段代表一個(gè)汽缸的一個(gè)工作循環(huán)，ISA補(bǔ)償超出的扭矩。這是因?yàn)镮SA是剛性連接至發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸, 因此與發(fā)動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。為確定ISA 的規(guī)定扭矩,會(huì)先確定進(jìn)行預(yù)充電, 其會(huì)在最佳點(diǎn)火角下產(chǎn)生預(yù)計(jì)的最佳扭矩，預(yù)計(jì)扭矩與駕駛員請求之間的偏差值產(chǎn)生 ISA 的分段同步規(guī)定扭矩。為了抵消信號從發(fā)動(dòng)機(jī)傳送至 ISA 的傳遞時(shí)間, 必須進(jìn)行預(yù)測以便 ISA 在相關(guān)燃燒過程進(jìn)行的同時(shí)提供所需扭矩。ISA 可提供的最大和最小扭矩取決于ISA的操作點(diǎn)和蓄電池的充電量。如果待補(bǔ)償?shù)呐ぞ卮笥谠摯賱?dòng)范圍, 則剩余扭矩通過之前提到的點(diǎn)火角干預(yù)進(jìn)行補(bǔ)償。盡管發(fā)動(dòng)機(jī)只能降低燃油經(jīng)濟(jì)性并因此與工作循環(huán)同步減小扭矩, ISA 還可產(chǎn)生正扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出仍然基于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的型號值, 這取決于特定型號偏差和生產(chǎn)公差。利用 ISA可以更加精確地設(shè)定所需扭矩, 從而增強(qiáng)舒適性。最后, 該特征還具有以下優(yōu)點(diǎn)∶ 發(fā)動(dòng)機(jī)在干預(yù)期間仍然可以在幾乎最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn), 超出的扭矩可回收, 從而減少二氧化碳（CO2）排放。

8.怠速控制

對于帶 ISA 的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制也是按此方式執(zhí)行, 通過使用 ISA 優(yōu)化消耗，通過怠速控制執(zhí)行的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制功能沒有停用, 如果未滿足 ISA正確操作所要求的所有條件, 則由其代替執(zhí)行控制操作。根據(jù)操作模式,怠速設(shè)置為特定的設(shè)定值。車載電氣系統(tǒng)的能量要求由 ISA 的發(fā)電機(jī)功能滿足。發(fā)動(dòng)機(jī)接收到扭矩傳輸規(guī)格,然后 ISA 據(jù)此輸出要求的能量, 向車載電氣系統(tǒng)和車載電網(wǎng)蓄電池供電。這表示 ISA 可以產(chǎn)生更多能量并可涵蓋車載電氣系統(tǒng)的需求。如果消耗增大, 例如, 打開空調(diào), 則48V車載電網(wǎng)蓄電池可補(bǔ)償電量消耗水平。如果48V車載電氣系統(tǒng)在當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下過載, 則目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)增大。由于 ISA 的積極特性, 用戶只能從轉(zhuǎn)速表上注意到該轉(zhuǎn)速增大。ISA執(zhí)行怠速控制的條件，如表2所示。如果未滿足以下任一條件, 怠速控制由傳統(tǒng)怠速控制單元執(zhí)行。駕駛員不會(huì)明顯感覺到由 ISA 控制過渡到傳統(tǒng)怠速控制單元控制這一過程。

表2 ISA執(zhí)行怠速控制的條件

六、48V車載電氣系統(tǒng)蓄電池直流/直流轉(zhuǎn)換器

直流/直流轉(zhuǎn)換器, 48V車載電網(wǎng)蓄電池（48V電源裝置）（圖26為車型238）。

48V電源裝置包括∶

◆直流/直流轉(zhuǎn)換器

◆48V鋰離子蓄電池

1.直流/直流轉(zhuǎn)換器∶

◆48V車載電氣系統(tǒng)管理

◆降壓模式（48V → 12V）15min約輸出 3500W

◆降壓模式（48V → 12V）輸出約3000W

◆降壓模式（12V → 48V）輸出約1000W

◆電路30c評估（碰撞安全理念）約重2.5kg

48V車載電氣系統(tǒng)通過直流/直流轉(zhuǎn)換器連接至12V車載電氣系統(tǒng)。通過直流/直流轉(zhuǎn)換器可使電能在兩個(gè)電壓等級之間轉(zhuǎn)換。在駕駛操作期間, 直流/直流轉(zhuǎn)換器將48V車載電氣系統(tǒng)供給的電能提供給12V車載電氣系統(tǒng)（降壓模式）。12V車載電氣系統(tǒng)中的傳統(tǒng)12V發(fā)電機(jī)已替換為直流/直流轉(zhuǎn)換器。此模式還用來在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉階段將48V車載電網(wǎng)蓄電池的電能提供給12V車載電網(wǎng)蓄電池。直流/直流轉(zhuǎn)換器控制單元（N83/1）是48V車載電氣系統(tǒng)中能源管理的主控制單元。該控制單元通過48V車載電氣系統(tǒng)局域互聯(lián)網(wǎng)（LIN）（LIN B22）讀取來自48V車載電網(wǎng)蓄電池的數(shù)據(jù)并將其傳送至48V車載電氣系統(tǒng)管理系統(tǒng)，或?qū)?shù)據(jù)通過總線系統(tǒng)傳送至其他控制單元。為根據(jù)具體情況向12V車載電氣系統(tǒng)供電，48V車載電氣系統(tǒng)管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)48V車載電氣系統(tǒng)和車輛的狀況對12V車載電氣系統(tǒng)管理系統(tǒng)規(guī)定的直流/直流轉(zhuǎn)換器的模式，電壓和電流情況進(jìn)行設(shè)定。

2.加熱和冷卻48V電源裝置

48V車載電網(wǎng)蓄電池的輸出總量主要取決于蓄電池溫度。然而, 48V車載電網(wǎng)蓄電池可在較大的車外溫度范圍內(nèi)使用，因?yàn)?8V電源裝置裝配了帶附加冷卻和加熱元件的水冷系統(tǒng)。為確保48V車載電氣系統(tǒng)盡快達(dá)到較好的性能水平,在駕駛操作期間溫度較低時(shí),48V車載電網(wǎng)蓄電池會(huì)由冷卻和加熱元件進(jìn)行加熱,直到達(dá)到足夠高的溫度。為快速升溫,在此階段不會(huì)有冷卻液流經(jīng)48V電源裝置。為避免48V車載電網(wǎng)蓄電池和直流/直流轉(zhuǎn)換器在外部高溫環(huán)境下過熱，48V電源裝置會(huì)由冷卻液冷卻，流量由車輛的熱量管理系統(tǒng)根據(jù)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果48V車載電網(wǎng)蓄電池繼續(xù)升溫, 則會(huì)逐漸啟用附加的Peltier冷卻系統(tǒng), 以通過冷卻液更好地散熱。

┃圖26 48V車載電網(wǎng)蓄電網(wǎng)

3.48V電源裝置（如圖27所示）

┃圖27 48V車載電網(wǎng)蓄電池

48V車載電網(wǎng)蓄電池：

◆由12個(gè)鋰離子電池組成

◆容量20Ah

◆內(nèi)能約1kWh

◆每個(gè)電池的電壓 3.68V（充電狀態(tài)50%時(shí)）

◆蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）

◆電路30c評估（碰撞安全理念）重量：約12.6kg

48V車載電網(wǎng)蓄電池的功能：

◆能量存儲和能量輸出

◆監(jiān)測和提供測得的電壓, 蓄電池電流和蓄電池溫度值

◆提供蓄電池冷卻回路中的冷卻液溫度

◆執(zhí)行蓄電池安全要求

◆檢測到碰撞后為12V車載電氣系統(tǒng)和直流/直流轉(zhuǎn)換器供電（碰撞后供電）

◆各電池的電荷平衡

研發(fā)的48V車載電網(wǎng)蓄電池用于48V車載電氣系統(tǒng)。其供給的內(nèi)能用于車輛的車載電氣系統(tǒng)功能（例如充電）， 傳動(dòng)系統(tǒng)功能和舒適型功能（加熱和制冷）。蓄電池由蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池、散熱片和各種結(jié)構(gòu)和連接技術(shù)構(gòu)成。蓄電池通過連接至直流/直流轉(zhuǎn)換器的局域互聯(lián)網(wǎng)（LIN）通信, 該轉(zhuǎn)換器用來處理和傳遞蓄電池信號并將其用于車輛。

4.48V車載電氣系統(tǒng)的電能存儲和電能輸出

未使用車輛時(shí), 48V車載電網(wǎng)蓄電池從48V車載電氣系統(tǒng)上斷開。為48V車載電氣系統(tǒng)供電的開關(guān)關(guān)閉并根據(jù)點(diǎn)火狀態(tài)由來自48V車載電氣系統(tǒng)管理系統(tǒng)的促動(dòng)再次打開。為確保開關(guān)的長期操作并避免48V部件過載, 開關(guān)關(guān)閉時(shí),預(yù)充電裝置會(huì)減小開關(guān)打開時(shí)的電流。48V車載電網(wǎng)蓄電池開始供電, 用于啟動(dòng)48V車載電氣系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于電容量較高, 在能量回收階段還會(huì)存儲來自集成式啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)（ISA）或皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)（BSA）的電能。然后將此電能供回ISA或BSA,為發(fā)動(dòng)機(jī)提供支持。因此,48V車載電網(wǎng)蓄電池在節(jié)省燃油和駕駛員的舒適型功能方面起到重要作用。監(jiān)測和提供測得的電壓,蓄電池電流和蓄電池溫度值，在48V車載電網(wǎng)蓄電池上裝配了自身的傳感器系統(tǒng),以監(jiān)測所有相關(guān)的內(nèi)部變量。測得的數(shù)值在內(nèi)部進(jìn)行處理。此外, 還通過48V車載電氣系統(tǒng)局域互聯(lián)網(wǎng)（LIN）傳送至48V車載電氣系統(tǒng)管理系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)。除各電池電壓外,蓄電池還監(jiān)測電池組的總電壓以及至48V車載電氣系統(tǒng)和直流/直流轉(zhuǎn)換器的端子處的電壓。48V車載電網(wǎng)蓄電池測量進(jìn)出電池組的電流大小。除電壓和電流外,還會(huì)在不同的點(diǎn)測量蓄電池組的電池的溫度。

5.提供蓄電池冷卻回路中的冷卻液溫度

也會(huì)測量散熱片中的冷卻液溫度并通過通信總線傳送至車輛的熱量管理系統(tǒng)。熱量管理系統(tǒng)控制蓄電池和直流/直流轉(zhuǎn)換器的冷卻。為在冷卻液溫度較高時(shí)也可冷卻蓄電池, 48V車載電網(wǎng)蓄電池的散熱片中集成了一個(gè)冷卻和加熱元件。冷卻和加熱元件的促動(dòng)由能源管理系統(tǒng)執(zhí)行。

6.執(zhí)行蓄電池安全要求

鋰離子蓄電池需要遵照嚴(yán)格的安全法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。48V車載電氣系統(tǒng)有一個(gè)多級安全理念, 由設(shè)計(jì)和功能性措施組成, 范圍涵蓋電池和蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）及外殼設(shè)計(jì)等。蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）根據(jù)內(nèi)部測得的數(shù)值監(jiān)測蓄電池的狀態(tài)。因此, 采用的安全功能可確保在操作窗口中安全操作蓄電池。48V車載電網(wǎng)蓄電池的設(shè)計(jì)中融入了特殊的設(shè)計(jì)方法。

7.各電池的電荷平衡

┃圖29 F63保險(xiǎn)絲

48V車載電網(wǎng)蓄電池具備“平衡功能”,使各電池維持在相同的充電水平。該功能用于保持48V車載電網(wǎng)蓄電池在輸出和能量方面的最佳性能。這種“平衡功能”還能延長蓄電池的使用壽命, 因?yàn)樵摴δ芸梢苑乐垢麟姵剡^早老化。

8.發(fā)動(dòng)機(jī)艙48V車載電氣系統(tǒng)保險(xiǎn)絲盒

發(fā)動(dòng)機(jī)艙48V車載電氣系統(tǒng)保險(xiǎn)絲盒（F153/2），如圖28所示。

┃圖28 發(fā)動(dòng)機(jī)艙48V車載電氣系統(tǒng)保險(xiǎn)絲盒

發(fā)動(dòng)機(jī)艙48V車載電氣系統(tǒng)保險(xiǎn)絲盒將來自48V電源裝置的電能分配至各用電設(shè)備。如果出現(xiàn)故障, 則必須更換整個(gè)部件。不得更換單獨(dú)的保險(xiǎn)絲或打開發(fā)動(dòng)機(jī)艙48V車載電氣系統(tǒng)保險(xiǎn)絲盒。48V電源裝置至ISA或BSA的電線上通過發(fā)動(dòng)機(jī)艙48V車載電氣系統(tǒng)保險(xiǎn)絲盒安裝了一條母線。發(fā)動(dòng)機(jī)艙48V車載電氣系統(tǒng)保險(xiǎn)絲盒中未安裝保險(xiǎn)絲, 因?yàn)檫@些部件通過48V電源裝置進(jìn)行監(jiān)測和熔斷。部件上的其他連接必須裝配相應(yīng)的保險(xiǎn)絲。同樣不得更換這些保險(xiǎn)絲。如果出現(xiàn)故障, 必須更換整個(gè)部件。必須由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人員進(jìn)行修理, 例如梅賽德斯-奔馳專家。

9.熱敏保險(xiǎn)絲（車型238）

F63熱敏保險(xiǎn)絲，如圖29所示為車型238。

輔助防護(hù)系統(tǒng)控制單元（N2/10）會(huì)觸發(fā)熱敏保險(xiǎn)絲, 以免發(fā)生事故后造成火災(zāi)?？刂贫俗訉?dǎo)線（電路30c）通過觸發(fā)熱敏保險(xiǎn)絲而斷開。48V部件處的電壓降會(huì)關(guān)閉48V車載電氣系統(tǒng)。

七、48V車載電氣系統(tǒng)電動(dòng)附加壓縮機(jī)

1.電動(dòng)輔助壓縮機(jī)（M60/1）

┃圖30 空氣流動(dòng)模式

通過電動(dòng)輔助壓縮機(jī)（M60/1）對傳統(tǒng)的渦輪增壓器進(jìn)行補(bǔ)充,改善了靜止全負(fù)荷扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)的非靜止性能。因此, 不管排氣的質(zhì)量流和熱狀態(tài)變量如何, 空氣供給都得到了顯著改善。從而不管發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)如何, 都會(huì)保證空氣供給。即使在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下, 電動(dòng)輔助壓縮機(jī)也可提供足夠的高增壓壓力。明顯減少了低轉(zhuǎn)速下的“渦輪延遲”。電動(dòng)輔助壓縮機(jī)由最大輸出功率為5kW的電機(jī)構(gòu)成, 驅(qū)動(dòng)安裝在防摩擦軸承中的壓縮機(jī)軸, 其在末端裝有14個(gè)葉片。為了在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)形成均勻的高增壓壓力, 在較低轉(zhuǎn)速/部分負(fù)荷范圍內(nèi)通過電動(dòng)輔助壓縮機(jī)生成增壓壓力。在任何發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下, 發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷請求和工作狀態(tài)以及環(huán)境條件計(jì)算目標(biāo)增壓壓力。由于渦輪增壓器在低轉(zhuǎn)速范圍下無法生成目標(biāo)增壓壓力, 因此通過促動(dòng)電動(dòng)輔助壓縮機(jī)補(bǔ)償實(shí)際增壓壓力和目標(biāo)增壓壓力之間的壓差。為此,發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)計(jì)算電動(dòng)輔助壓縮機(jī)生成所需增壓壓力的轉(zhuǎn)速。1.45 的最大壓力比表示在環(huán)境壓力為 100kPa的情況下, 可額外產(chǎn)生45kPa的環(huán)境壓力, 遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力損失。最大增壓壓力高達(dá) 45kPa。速度范圍不超過 3000r/min時(shí), 直接通過電控多端順序燃料噴注/點(diǎn)火系統(tǒng)（ME-SFI）控制單元（N3/10）中的內(nèi)部控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線促動(dòng)電動(dòng)輔助壓縮機(jī)。在電動(dòng)輔助壓縮機(jī)促動(dòng)期間, 為監(jiān)測增壓壓力, 會(huì)存儲節(jié)氣門下游的壓力和溫度傳感器（B28/27）信號。渦輪增壓器獨(dú)自運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 通過節(jié)氣門上游的壓力和溫度傳感器（B28/26）測量壓力。電動(dòng)輔助壓縮機(jī)通過48V車載電氣系統(tǒng)供電。發(fā)生的所有故障均傳送至電控多端順序燃料噴注/點(diǎn)火系統(tǒng)（ME-SFI）控制單元并記錄為故障。可通過 XENTRY Diagnostics 手動(dòng)輸入電動(dòng)輔助壓縮機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速規(guī)格。排氣、進(jìn)氣/增壓空氣流動(dòng)模式，如圖30所示。

帶電動(dòng)輔助壓縮機(jī)的雙渦流渦輪增壓器，如圖31所示。

電動(dòng)輔助壓縮機(jī)的生產(chǎn)規(guī)格如表3、表4所示。

表3 電動(dòng)輔助壓縮機(jī)規(guī)格

表4 能量消耗/輔助壓縮機(jī)的功耗