12 V混合動(dòng)力電動(dòng)增壓系統(tǒng)

【德】 S.HOFFMANN S.GELLINECK J.MARTIN S.MEAD

1 背景

在當(dāng)前環(huán)保要求的驅(qū)使下,汽車(chē)制造商致力于降低整車(chē)CO2排放,至2021年應(yīng)將車(chē)輛的平均CO2排放降低到95 g/km以下。這不僅促使其目前要關(guān)注電氣化、混合動(dòng)力化等技術(shù)領(lǐng)域,而且也要在汽油機(jī)和柴油機(jī)開(kāi)發(fā)方面建立一個(gè)寬廣的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品需滿足用戶的不同需求,包括在行駛性能或成本方面的需求差異。由于不同用戶的要求彼此差別很大,特別是在銷(xiāo)售量較大的緊湊型或中型車(chē)區(qū)段,因此按照價(jià)格/功率比進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略是不可或缺的。

采用電壓較高的附加電路(例如48 V)的混合動(dòng)力技術(shù)裝置,具有改善能量管理效果的開(kāi)發(fā)潛力,例如實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收或扭矩輔助功能,并且還能與電動(dòng)壓氣機(jī)等輔助裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)控,現(xiàn)代汽車(chē)公司據(jù)此已有相關(guān)技術(shù)[1-2]。輕度混合動(dòng)力通過(guò)擴(kuò)展增壓范圍而改善車(chē)輛效率的功效,已被許多汽車(chē)制造商所采用,但是至今市場(chǎng)上仍缺乏低成本、高效益的12 V混合動(dòng)力和增壓功能的技術(shù)。

為滿足該市場(chǎng)需求,現(xiàn)代汽車(chē)公司與集成動(dòng)力傳動(dòng)有限公司合作研發(fā)了名為“Supergen”的12 V混合動(dòng)力-壓氣機(jī)系統(tǒng),將混合動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)與電動(dòng)壓氣機(jī)組合布置于一個(gè)緊湊的殼體中(圖1中藍(lán)色部件)。該方案不僅成本較低,而且具備與48 V系統(tǒng)相似的性能。該技術(shù)已進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn),將1個(gè)用于為汽車(chē)電路供電的通過(guò)高效皮帶傳動(dòng)的12 V起動(dòng)發(fā)電機(jī)(BSG)與用于按需實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)增壓壓力的機(jī)電式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)(e-CVT)的離心式壓氣機(jī)相組合。這是首個(gè)將Supergen技術(shù)與柴油機(jī)相組合的項(xiàng)目,在汽油機(jī)上已證實(shí)了該系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展?jié)摿3-4]。

圖1 裝備混合動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)與電動(dòng)壓氣機(jī)組合裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)

2 基本方案

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬處理,以便得出空氣流動(dòng)路徑,同時(shí)也能了解Supergen裝置用于D級(jí)柴油轎車(chē)時(shí)的節(jié)油潛力。該方案可與之前公布的48 V輕度混合動(dòng)力方案進(jìn)行比較。為此,將其集成到量產(chǎn)的起亞Optima 1.7 L CRDi轎車(chē)上(圖2),并針對(duì)下述各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

(1)借助于具有更高效率的加大可變渦輪幾何截面(VTG)增壓器以提高最大功率;

(2)通過(guò)快速響應(yīng)的Supergen電動(dòng)壓氣機(jī)增大低速扭矩并縮短響應(yīng)時(shí)間;

(3)借助于加大變速器速比以實(shí)現(xiàn)低速化;

(4)通過(guò)超級(jí)渦輪方案(壓氣機(jī)和渦輪增壓器)改善廢氣再循環(huán)(EGR);

(5)具有12 V能量回收、扭矩輔助和起動(dòng)-停車(chē)功能;

(6)通過(guò)改善燃燒過(guò)程降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放;

(7)具有離心力配重的雙質(zhì)量飛輪(ZMS)在顯著提高低速扭矩的同時(shí)優(yōu)化噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)性能。

圖2 試驗(yàn)車(chē)輛應(yīng)用的技術(shù)組合

3 系統(tǒng)技術(shù)

在開(kāi)發(fā)Supergen系統(tǒng)時(shí),需重點(diǎn)注意無(wú)論是外形尺寸還是電氣系統(tǒng)都應(yīng)可方便地集成到現(xiàn)有的車(chē)型上。由于涉及配裝到12 V基礎(chǔ)電壓系統(tǒng)上的方案,因此,在電氣方面主要應(yīng)用了最先進(jìn)的被稱(chēng)為“East Penn”的超級(jí)鉛-碳精蓄電池。與備受關(guān)注的鉛酸蓄電池相比,該超級(jí)蓄電池因其具備的超高容量特性,能充分滿足混合動(dòng)力系統(tǒng)的充放電需求。

Supergen單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可靠性較高,通常由1個(gè)用于混合動(dòng)力功能(發(fā)電、扭矩輔助/起動(dòng)機(jī))的電機(jī)(E1)、1個(gè)中心輪軸上帶有離心式壓氣機(jī)的牽引行星齒輪變速器,以及1個(gè)與行星齒輪架連接電機(jī)(E2)組成,能按需調(diào)節(jié)中心輪軸及與之相連的離心式壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速(圖3)[5-6]。

功率電子器件被集成在Supergen殼體中并用水冷卻,裝入的傳動(dòng)裝置機(jī)油-水熱交換器使變速器保持在最佳的溫度范圍內(nèi),其中的冷卻液則由緊湊的外部低溫冷卻回路進(jìn)行冷卻。

圖3 Supergen系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

由發(fā)動(dòng)機(jī)前端輔助設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(FEAD)的V形皮帶驅(qū)動(dòng)的E1電機(jī)用作汽車(chē)電路發(fā)電機(jī)及作為調(diào)節(jié)壓氣機(jī)的E2電機(jī)的電源,而E2電機(jī)又可與牽引行星齒輪相互配合以實(shí)現(xiàn)e-CVT的相關(guān)功能。這種配裝有2個(gè)電機(jī)的方案是該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)之一。就建立增壓壓力的方案而言,其在用電方面可實(shí)現(xiàn)自給自足,而FEAD的機(jī)械功率則由E2電機(jī)提供,因而所需的增壓壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)(圖4)。這種自給自足的工作模式與集成的冷卻系統(tǒng)一起可使得該單元持續(xù)運(yùn)作,而不會(huì)使蓄電池充電狀態(tài)受到限制或者出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題。

圖4 增壓壓力的產(chǎn)生

4 系統(tǒng)集成

為了將系統(tǒng)集成到試驗(yàn)車(chē)上,棄用了常規(guī)的發(fā)電機(jī),并設(shè)計(jì)了采用雙臂雙作用皮帶張緊器的特殊的兩級(jí)FEAD用于傳動(dòng)Supergen系統(tǒng)(圖5)。

圖5 Supergen系統(tǒng)集成

新的空氣管路布置由作為高壓級(jí)的Supergen電動(dòng)壓氣機(jī)和作為低壓級(jí)的加大型VTG渦輪增壓器組成。為了在發(fā)動(dòng)機(jī)中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)在不增壓的情況下能使氣流繞過(guò)Supergen的電動(dòng)壓氣機(jī),為此在這段增壓空氣管路中布置了1個(gè)電動(dòng)旁通閥。

在高壓EGR(HP-EGR)系統(tǒng)外,再添加了1個(gè)包含有EGR冷卻器的低壓EGR(LP-EGR)回路,以便進(jìn)一步降低氮氧化物(NOx)排放。為了進(jìn)一步降低有害物和CO2排放,在渦輪增壓器和Supergen電動(dòng)壓氣機(jī)之間,附加連接1個(gè)增壓空氣冷卻器是卓有成效的方法。

5 增壓壓力建立的分?jǐn)?/h2>

為了能評(píng)價(jià)整個(gè)增壓系統(tǒng)的技術(shù)潛力,對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)電動(dòng)壓氣機(jī)與渦輪增壓器之間的相互作用進(jìn)行細(xì)致的試驗(yàn)研究。為此,確定了增壓分?jǐn)傁禂?shù)作為渦輪增壓器和Supergen電動(dòng)壓氣機(jī)之間建立增壓壓力的分?jǐn)偙壤?圖6)。

圖6 增壓分?jǐn)傁禂?shù)

圖6 示出了在各種不同增壓壓力和NOx排放保持恒定不變的情況下增壓分?jǐn)傁禂?shù)的變化。在圖6所示的轉(zhuǎn)速1 500 r/min和平均有效壓力(BMEP)0.6 MPa的運(yùn)行工況點(diǎn)上,能明顯看出增壓壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)排放之間的相互關(guān)系。當(dāng)增壓壓力保持在基準(zhǔn)水平恒定不變,同時(shí)空氣系統(tǒng)由Supergen電動(dòng)壓氣機(jī)供應(yīng)10%(增壓分?jǐn)傁禂?shù)為0.9)的情況下,在NOx排放保持不變的同時(shí),使碳煙排放降低約70%,CO排放降低達(dá)60%以上。

應(yīng)用Supergen系統(tǒng)來(lái)提高增壓壓力,可降低渦輪增壓器的壓比,VTG渦輪葉片隨之打開(kāi),能在較小的掃氣壓差情況下提高系統(tǒng)效率。但是其對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜性不利,較低的廢氣背壓,再加上掃氣壓差較小,為此需加入低壓EGR,以便產(chǎn)生足夠的EGR質(zhì)量流量來(lái)降低NOx排放。

6 全負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

降低CO2排放的策略使得發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)低速化,尤其可通過(guò)提高較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖7示出了系統(tǒng)的潛力,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～1 500 r/min時(shí),扭矩能提高40%,燃油耗能同時(shí)降低5%,這是采用較大VTG渦輪增壓器和增壓壓力策略相組合的結(jié)果,不僅可將最大功率提高25%,并用于補(bǔ)償行駛功率的降低,同時(shí)無(wú)需采用較大傳動(dòng)比的變速器,行駛性能還可得到明顯改善。與采用48 V電動(dòng)壓氣機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較,其試驗(yàn)結(jié)果幾乎是一致的,差別在于其所使用的電動(dòng)壓氣機(jī)出于溫度的原因運(yùn)行一段時(shí)間后就必須關(guān)閉,而Supergen電動(dòng)壓氣機(jī)卻能持續(xù)運(yùn)行。

7 行駛性能試驗(yàn)結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷試驗(yàn)表明,Supergen系統(tǒng)由于可提供附加的空氣質(zhì)量,因而能?chē)娚涓嗟娜加土?因此能顯著提高低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩。由于該系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,動(dòng)態(tài)扭矩的建立明顯改善了其行駛性能(圖8)。圖8中Supergen增壓的數(shù)值1代表純渦輪增壓。

從試驗(yàn)結(jié)果中可明顯看出,經(jīng)Supergen系統(tǒng)改善的瞬態(tài)響應(yīng)特性,車(chē)速?gòu)?5 km/h開(kāi)始加速至80 km/h時(shí),裝備Supergen系統(tǒng)的汽車(chē)加速時(shí)間縮短了1.3 s。若由電機(jī)E1再在曲軸上附加約25 N·m的輔助扭矩,則其加速時(shí)間還能再縮短0.3 s。

圖9示出了試驗(yàn)汽車(chē)所達(dá)到的行駛性能與帶有電動(dòng)壓氣機(jī)的48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的比較。與基本車(chē)型相比,無(wú)論是配裝48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的車(chē)型還是配裝Supergen系統(tǒng)的車(chē)型,包括試驗(yàn)采用的較大傳動(dòng)比變速器的車(chē)型,在行駛靈活性方面均得到了明顯改善。Supergen系統(tǒng)達(dá)到了幾乎與之相同的動(dòng)態(tài)性能,從車(chē)速80～120 km/h的加速時(shí)間比量產(chǎn)汽車(chē)縮短了約20%,而且由電機(jī)附加的輔助扭矩要比采用48 V輕度混合動(dòng)力時(shí)更低。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷特性

圖8 應(yīng)用Supergen系統(tǒng)的汽車(chē)動(dòng)態(tài)性能

圖9 動(dòng)態(tài)性能與48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的比較

8 廢氣排放試驗(yàn)結(jié)果

由現(xiàn)代汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的空氣管路和混合動(dòng)力調(diào)節(jié)軟件都已得到應(yīng)用,以便試驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)時(shí)的全部技術(shù)潛力。圖10示出了在全球統(tǒng)一的輕型車(chē)試驗(yàn)程序(WLTP)循環(huán)期間混合動(dòng)力運(yùn)行策略的實(shí)例。

在該循環(huán)的加速階段中,Supergen系統(tǒng)輔助空氣系統(tǒng)能更快地建立起增壓壓力,而且使用來(lái)自回收能量的輔助扭矩替代發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩,從而降低CO2排放。空氣系統(tǒng)借助于Supergen附加的輔助壓氣效果,可在14%的循環(huán)時(shí)間內(nèi)起作用。在WLTP循環(huán)中特別是在對(duì)用戶更重要的實(shí)際道路行駛條件下,其持續(xù)采用的輔助增壓技術(shù)可得以廣泛應(yīng)用。

在行駛中通過(guò)制動(dòng)能量的回收來(lái)獲取多余的能量。可供使用的Supergen樣機(jī)以及受到已安裝的70 A·h容量的超級(jí)蓄電池的限制,其峰值功率能達(dá)到2～3 k W。

圖10 WLTP循環(huán)中的能量管理

與原始車(chē)型相比,CO2排放總共能降低7.5%(圖11)。其中,改善的主要原因可能是將傳動(dòng)比顯著提升的試驗(yàn)車(chē)作為基本車(chē)型,明顯增大的扭矩和經(jīng)優(yōu)化改善的響應(yīng)特性允許其在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,從而無(wú)需對(duì)行駛性能方面的缺陷進(jìn)行容忍。而在改善起動(dòng)-停車(chē)性能方面還存在其他一些優(yōu)點(diǎn),例如較早關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)、較晚起動(dòng),以及無(wú)噴油起動(dòng)。

圖11 WLTP循環(huán)的節(jié)油效果

除了CO2排放得以顯著減少之外,Supergen系統(tǒng)的扭矩輔助還能使NOx排放降低30%。特別是在會(huì)產(chǎn)生大量NOx排放的加速工況期間,Supergen系統(tǒng)產(chǎn)生的輔助扭矩能防止加速期間發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)扭矩峰值,因而可以降低NOx排放。

在WLTP循環(huán)期間回收的能量總共可達(dá)100 W·h,由安裝的第一代超級(jí)蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)存。在該配置中,系統(tǒng)受到蓄電池性能的限制,特別是蓄電池樣品充電能力的限制。此處所建立起來(lái)的鉛-碳精蓄電池技術(shù)將得以進(jìn)一步開(kāi)發(fā),以便提高蓄電池的充電能力。隨著蓄電池系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化及Supergen系統(tǒng)的最新開(kāi)發(fā),基于加強(qiáng)制動(dòng)能量回收,CO2排放總共能降低約10%。為了查明最新一代容量約90 A·h超級(jí)蓄電池的回收潛力,已對(duì)此進(jìn)行模擬研究。根據(jù)研究結(jié)果,技術(shù)性能得以提升的蓄電池允許增大的充電功率在5 k W范圍內(nèi),而無(wú)需超過(guò)所規(guī)定的充電電壓極限,從而有望將WLTP循環(huán)中的能量回收能力提高到175 W·h。該數(shù)值在48 V系統(tǒng)回收300 W·h能量占比的60%范圍內(nèi)變動(dòng),因此根據(jù)具體用途和當(dāng)前市場(chǎng)狀況,Supergen系統(tǒng)是一種利于降低成本,并可有效替代48 V系統(tǒng)的方案。

使用改進(jìn)的鉛-碳精蓄電池的優(yōu)勢(shì)在于該類(lèi)技術(shù)的附加費(fèi)用較低,使用壽命比通常的吸收性玻璃纖維板(AGM)蓄電池長(zhǎng),并且無(wú)需采用專(zhuān)門(mén)的高效輕度混合動(dòng)力能量存儲(chǔ)器。除了這種有利于降低成本的解決方案之外,Supergen技術(shù)方案還允許采用2個(gè)蓄電池,例如其中一個(gè)傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池用于汽車(chē)電路供電,另一個(gè)容量較小的緊湊型鋰電池作為中心蓄電池用于回收能量并有利于最大程度降低CO2排放。

9 總結(jié)和展望

該合作項(xiàng)目通過(guò)改善效率、行駛性能和耐久性滿足用戶日益提升的使用要求,同時(shí)證實(shí)了12 V輕度混合動(dòng)力化與先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)相結(jié)合具備的優(yōu)勢(shì)。以量產(chǎn)的起亞Optima轎車(chē)為基礎(chǔ),集成了12 V-Supergen系統(tǒng),并與增大傳動(dòng)比的變速器相組合,使燃油耗降低約7.5%。若使用新型的Supergen系統(tǒng)和新一代超級(jí)蓄電池,燃油耗甚至有望降低約10%。同時(shí)車(chē)輛的駕駛靈活性也以相同的數(shù)量級(jí)超過(guò)配裝有電動(dòng)壓氣機(jī)的48 V混合動(dòng)力汽車(chē)等基本車(chē)型。就CO2排放而言,與12 V-Supergen系統(tǒng)相比,48 V方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于較高的汽車(chē)電路電壓具有較大的能量回收潛力,但是Supergen的集成費(fèi)用顯然要比更復(fù)雜的48 V系統(tǒng)低。

因?yàn)镾upergen系統(tǒng)的電子器件是以最新一代金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)技術(shù)為基礎(chǔ)的,因此該系統(tǒng)也能轉(zhuǎn)換成48 V系統(tǒng)的變型。采用48 V的Supergen系統(tǒng)因具有廣泛的輕度混合動(dòng)力化可能性從而能在燃油耗方面具備諸多優(yōu)勢(shì)。此外,Supergen系統(tǒng)在增壓用電方面完全能實(shí)現(xiàn)自給自足,因而僅需使用1個(gè)小型蓄電池,這是可有效替代48 V系統(tǒng)的一種選擇。

Supergen技術(shù)也有利于其與汽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)組合,是解決以阿特金森循環(huán)或米勒循環(huán)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所面臨的扭矩問(wèn)題的一種最佳方案。出于該原因,Magna公司旗下的合資集成動(dòng)力傳動(dòng)有限公司,目前已計(jì)劃將該系統(tǒng)于2020年開(kāi)發(fā)并投入量產(chǎn)。