48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的設計與開發(fā)

【德】 S.LAUER R.WELDLE M.PERUGINI A.LYUBAR

關鍵詞：高功率;全混合動力系統(tǒng);電動汽車

0 前言

根據(jù)歐盟對汽車CO2 排放限值的要求，至2025年，這一排放指標須比2021年降低15.0%;至2030年，這一排放指標須比2021年降低37.5%。目前，研究人員需要進一步降低新款車型的CO2 排放，為此應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域，并且FHEV 的CO2 排放明顯低于MHEV。PHEV 的CO2排放認證限值相對較低，但其缺點是成本高于MHEV和FHEV，因而通常僅用于高檔車型。從當前市場狀況出發(fā)，研究人員提出了1個新觀點：為了降低新車型的CO2 排放，必須進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)傳輸設計

為了進一步優(yōu)化設計過程，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)具有較高響應性的數(shù)據(jù)傳輸分析過程。Vitesco技術公司在進行上述試驗時，為其試驗車輛和基準車輛各配備了1款物聯(lián)網(wǎng)客戶端（IoT-Client），同時將汽車上產(chǎn)生的運行數(shù)據(jù)與圖表信息相結合，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。總而言之，在C 級車型中，F(xiàn)HEV 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，研究人員應盡可能降低48V 驅(qū)動技術的成本，Vitesco技術公司利用了其多年來在該領域內(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，相當于原48V 電機的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[1]。

該款48V 高功率電驅(qū)動系統(tǒng)預計將于2024年投入批量使用。在發(fā)動機運行過程中，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）。新型電機在20s內(nèi)能輸出高達20kW 的功率，同時能以12kW 的功率維持運行。新型電機的長度為235mm，直徑僅為175mm，能以橫置形式布設于汽車前部。同時，該款電機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（PSM）采用液體冷卻方式，轉(zhuǎn)速高達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，研究人員對永磁鐵的布置形式進行了優(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體為基礎，從而使系統(tǒng)具有更高的功率密度。目前，第1款樣機的效率已高達90%，等到其投入批量使用時，效率還將進一步提高。

3 試驗汽車

為了對48V 高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的技術潛力及協(xié)同運作效果進行檢驗，Vitesco技術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[2]。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。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 的技術潛力。電機可通過皮帶傳動機構從側面集成到內(nèi)燃機與6檔手動變速器之間的位置，而內(nèi)燃機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)燃機和電驅(qū)動裝置，因而有著較好的應用效果。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。

4 燃油效率和機動性

模擬計算結果表明，相比未實現(xiàn)電氣化的基準車型，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行測量，證實了模擬計算的結果。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，研究人員通過進一步降低轉(zhuǎn)速，并充分利用電機扭矩，還能使燃油耗降低約1%。

48V 高功率FMEV 的能量效率不僅能應用于WLTP循環(huán)工況中，而且也能應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的扭矩以改善車輛的機動性。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)扭矩響應時間縮短到200ms，達到最高速度的反應時間縮短了三分之二，并使渦輪遲滯效應得到了充分補償。當內(nèi)燃機輸出最大扭矩時，系統(tǒng)通過電機又進一步提高了驅(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)。這種試驗樣機的額定容量為1.45kW·h，并能提供高達40kW 的電功率。研究人員可通過1款整體式風扇對AES進行冷卻，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 側使用了容量為40A·h的2個并聯(lián)電池堆，其以LFP為基礎。由于當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 側能以其較小的電壓進行限度供電，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 電壓側的電池堆上得以廣泛應用。

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)省結構空間之外，還具有其他優(yōu)勢。即使在12V 電壓側，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個電池組之間進行來回轉(zhuǎn)換。AES能在6周時間內(nèi)將12V 電壓側的電能持續(xù)提供給停放的汽車，并且不會對車輛的起動能力產(chǎn)生負面影響。最后，此類工作能力較強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樣機開展了相關試驗，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種運行模式：關停發(fā)動機并進行滑行，緊接著再次起動內(nèi)燃機，隨后系統(tǒng)處于相應的能量回收階段。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。模擬計算結果表明，按照EU2017/1151標準，采用這種配置的C 級汽車經(jīng)加權平均后的每公里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歐元的補貼。

針對PHEV 的實際燃油耗與駕駛員行為之間的關系，研究人員開展了技術研討。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，社會各界主要關注的是其燃油耗是否能達到柴油車的水平。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可能性，并使得電氣化技術能廣泛用于多種車型。AES作為1類結構緊湊且功率強勁的能量供應單元，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，該設備也能確保內(nèi)燃機實現(xiàn)清潔運行的目標。

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，按照目前的評估結果，其成本比高電壓技術降低了10%[1]。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 的設計方案進行調(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)燃機運行，從而明顯改善車輛的機動性。

對于整個車輛型譜而言，這種功率為30kW 且采用量產(chǎn)技術的新型驅(qū)動裝置有著較好的應用前景。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 的設計過程中又能實現(xiàn)更理想的節(jié)油效果。在上述領域，研究人員通過選用合適的電機，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。