48V高功率電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

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

關(guān)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(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(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：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(shè)計

為了進一步優(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)?？偠灾?，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(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(yù)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(shè)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(cè)，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(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(shù)潛力及協(xié)同運作效果進行檢驗，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)[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(shù)潛力。電機可通過皮帶傳動機構(gòu)從側(cè)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(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。

4 燃油效率和機動性

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(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(yīng)時間縮短到200ms，達到最高速度的反應(yīng)時間縮短了三分之二，并使渦輪遲滯效應(yīng)得到了充分補償。當(dāng)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(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(fēng)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(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(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種運行模式：關(guān)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(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)燃機實現(xiàn)清潔運行的目標(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%[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(shè)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(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，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。