48V高功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

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

關(guān)鍵詞：高功率;全混合動(dòng)力系統(tǒng);電動(dòng)汽車

0 前言

根據(jù)歐盟對(duì)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(dòng)力總成系統(tǒng)。除了純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）之外，全混合動(dòng)力汽車（FHEV）也屬于該類車型。FHEV 雖然無(wú)須進(jìn)行外部充電，但是仍能以純電動(dòng)狀態(tài)行駛，特別是在市區(qū)范圍內(nèi)。

研究人員如果對(duì)德國(guó)混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)可公開(kāi)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(dòng)力汽車（MHEV）在車輛品種和價(jià)格等級(jí)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(shí)際投產(chǎn)的FHEV 車型數(shù)量相對(duì)較少，但其開(kāi)發(fā)過(guò)程覆蓋了整個(gè)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(duì)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(chǎng)狀況出發(fā)，研究人員提出了1個(gè)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(gè)車型區(qū)段的燃油耗。

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

為了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，研究人員必須了解電驅(qū)動(dòng)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(shí)際行駛過(guò)程中也能實(shí)現(xiàn)具有較高響應(yīng)性的數(shù)據(jù)傳輸分析過(guò)程。Vitesco技術(shù)公司在進(jìn)行上述試驗(yàn)時(shí)，為其試驗(yàn)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(shí)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(chǔ)存到云端，方便研究人員隨時(shí)對(duì)新產(chǎn)生的問(wèn)題開(kāi)展試驗(yàn)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(dòng)力總成系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)功率和回收功率的分配情況。為了排除換檔過(guò)程及渦輪增壓器動(dòng)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(jí)車型在不同路段將由幾位試驗(yàn)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(shí)，僅需要20～30kW的功率即可滿足試驗(yàn)要求。因此，在長(zhǎng)途行駛的情況下，該方案也會(huì)很好地成為實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的重要組成部分。在回收能量時(shí)，30kW 以下的功率等級(jí)依然起著重要作用，其覆蓋了幾乎所有的能量回收過(guò)程，并與道路類型無(wú)關(guān)?？偠灾?，在C 級(jí)車型中，F(xiàn)HEV 在市內(nèi)能以純電動(dòng)狀態(tài)行駛，而在真實(shí)行駛過(guò)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)

為了滿足用戶對(duì)FHEV 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，研究人員應(yīng)盡可能降低48V 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的成本，Vitesco技術(shù)公司利用了其多年來(lái)在該領(lǐng)域內(nèi)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，逐步提高產(chǎn)品潛力，成功開(kāi)發(fā)出了1款48V 高功率電驅(qū)動(dòng)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(shí)能以低于市場(chǎng)價(jià)格25%的前提滿足典型的高電壓全混合動(dòng)力化的基本特性[1]。

該款48V 高功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)預(yù)計(jì)將于2024年投入批量使用。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)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(shí)能以12kW 的功率維持運(yùn)行。新型電機(jī)的長(zhǎng)度為235mm，直徑僅為175mm，能以橫置形式布設(shè)于汽車前部。同時(shí)，該款電機(jī)原則上可用于混合動(dòng)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(shí)在轉(zhuǎn)子側(cè)，研究人員對(duì)永磁鐵的布置形式進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)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(shí)，效率還將進(jìn)一步提高。

3 試驗(yàn)汽車

為了對(duì)48V 高功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)潛力及協(xié)同運(yùn)作效果進(jìn)行檢驗(yàn)，Vitesco技術(shù)公司的研究人員已將采用48V 高功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的先進(jìn)能量?jī)?chǔ)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(yàn)汽車上（圖4），并利用早期開(kāi)發(fā)的P2混合動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)替換了目前仍在使用的48V電機(jī)。研究人員可為儲(chǔ)能器選用2種方案：（1）使用AES來(lái)驅(qū)動(dòng)FMEV;（2）選擇使用1 款尺寸較大的48V蓄電池，以便測(cè)試48VPHEV 的技術(shù)潛力。電機(jī)可通過(guò)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)從側(cè)面集成到內(nèi)燃機(jī)與6檔手動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的離合器，分別為K0和K1離合器。2個(gè)電動(dòng)水泵可根據(jù)需求冷卻內(nèi)燃機(jī)和電驅(qū)動(dòng)裝置，因而有著較好的應(yīng)用效果。試驗(yàn)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(dòng)性

模擬計(jì)算結(jié)果表明，相比未實(shí)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(guò)對(duì)試驗(yàn)汽車進(jìn)行測(cè)量，證實(shí)了模擬計(jì)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(dòng)系統(tǒng)僅能使制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有限的調(diào)配過(guò)程，并且手動(dòng)變速器需要在能量回收期間與動(dòng)力總成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分離，以便實(shí)現(xiàn)換檔過(guò)程。另一方面，首款48V 高功率驅(qū)動(dòng)樣機(jī)尚未充分展示出未來(lái)量產(chǎn)產(chǎn)品的全部潛力。即便如此，研究人員通過(guò)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(shí)的行駛過(guò)程中。以德國(guó)Regensburg地區(qū)的市內(nèi)行駛循環(huán)為例，車輛由不同試驗(yàn)人員在不同行駛狀況下進(jìn)行駕駛，由此測(cè)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(guò)充分利用電機(jī)的扭矩以改善車輛的機(jī)動(dòng)性。圖6示出了試驗(yàn)車輛在以第3檔從20km/h加速到60km/h的過(guò)程中，其動(dòng)態(tài)性能與僅使用內(nèi)燃機(jī)加速時(shí)的參數(shù)比較。研究人員通過(guò)為車輛選用電助力系統(tǒng)，使其瞬態(tài)扭矩響應(yīng)時(shí)間縮短到200ms，達(dá)到最高速度的反應(yīng)時(shí)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(shí)，系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)又進(jìn)一步提高了驅(qū)動(dòng)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(duì)混合動(dòng)力汽車電路進(jìn)行了充分簡(jiǎn)化。電路采用了1款共用2種電壓回路的儲(chǔ)能器。為此，Vitesco技術(shù)公司的研究人員已開(kāi)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(duì)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(shí)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(yàn)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(guò)1款整體式風(fēng)扇對(duì)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(gè)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(shí)，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(guò)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(shì)。即使在12V 電壓側(cè)，鋰離子電池也能通過(guò)循環(huán)放電和充電來(lái)充分利用已有的電池容量。同時(shí)，儲(chǔ)存的能量可通過(guò)DC/DC換流器在2個(gè)電池組之間進(jìn)行來(lái)回轉(zhuǎn)換。AES能在6周時(shí)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(huì)對(duì)車輛的起動(dòng)能力產(chǎn)生負(fù)面影響。最后，此類工作能力較強(qiáng)的儲(chǔ)能器與用于電加熱的Emicat型催化轉(zhuǎn)化器實(shí)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(guò)程。

研究人員已在蓄電池試驗(yàn)臺(tái)和48V 混合動(dòng)力汽車上，分別對(duì)這種AES樣機(jī)開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，并且已證實(shí)了該系統(tǒng)是唯一適合于48V 混合動(dòng)力系統(tǒng)的電源。圖8作為實(shí)例示出了3種運(yùn)行模式：關(guān)停發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行滑行，緊接著再次起動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的PHEV

雖然優(yōu)勢(shì)顯著，但采用48V 的高功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)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(duì)該問(wèn)題已開(kāi)展了相關(guān)研究。通過(guò)外部充電，車輛能以純電動(dòng)模式參與試驗(yàn)過(guò)程。模擬計(jì)算結(jié)果表明，按照EU2017/1151標(biāo)準(zhǔn)，采用這種配置的C 級(jí)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(guó)家作為低排放車輛加以推廣。在德國(guó)，通過(guò)購(gòu)買該類車型，用戶可得到4500歐元的補(bǔ)貼。

針對(duì)PHEV 的實(shí)際燃油耗與駕駛員行為之間的關(guān)系，研究人員開(kāi)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(dòng)系統(tǒng)的PHEV 為例，社會(huì)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?yàn)樵谌蚪y(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）工況中，車輛會(huì)以純電動(dòng)狀態(tài)通過(guò)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(yǔ)和展望

48V 高功率電驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)合理匹配。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)清潔運(yùn)行的目標(biāo)。

48V 高功率電驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，相比高電壓FHEV，市場(chǎng)價(jià)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(píng)估結(jié)果，其成本比高電壓技術(shù)降低了10%[1]。通過(guò)采用48V 高功率電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究人員能對(duì)高功率FHEV 的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。尤其在市區(qū)內(nèi)，車輛能以純電動(dòng)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(dòng)性。

對(duì)于整個(gè)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(dòng)裝置有著較好的應(yīng)用前景。同時(shí)，研究人員已從平臺(tái)的適用性出發(fā)，對(duì)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(jì)過(guò)程中又能實(shí)現(xiàn)更理想的節(jié)油效果。在上述領(lǐng)域，研究人員通過(guò)選用合適的電機(jī)，有效降低了整車CO2 排放。就未來(lái)純電動(dòng)汽車方案而言，48V 高功率技術(shù)是其唯一適用的驅(qū)動(dòng)解決方案，并且在成本和裝配方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。