48V高功率電驅動系統的設計與開發

根據歐盟對汽車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?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行駛,特別是在市區范圍內?

研究人員如果對德國混合動力汽車市場可公開得到的數據進行分析,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)?與其余系統相比,MHEV所減少的CO2排放較為有限?目前,已實際投產的FHEV車型數量相對較少,但其開發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,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段的燃油耗?

1. 基于48V高功率電驅動系統的數據傳輸設計

為了進一步優化設計過程,研究人員必須了解電驅動系統所需要的功率?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具有較高響應性的數據傳輸分析過程?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款物聯網客戶端(IoT-Client),同時將汽車上產生的運行數據與圖表信息相結合,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境中,動力總成系統對驅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性能所產生的影響,并將其作為獲取數據的載體,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,FHEV在市內能以純電動狀態行駛,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,研究人員將電驅動功率設定在20~30kW之間是較為合理的?

2. 48V高功率電驅動系統

為了滿足用戶對FHEV電驅動系統的要求,研究人員應盡可能降低48V驅動技術的成本,Vitesco技術公司利用了其多年來在該領域內的研發經驗,逐步提高產品潛力,成功開發出了1款48V高功率電驅動系統?該系統能在短期內提供較高的功率,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?

該款48V高功率電驅動系統預計將于2024年投入批量使用?在發動機運行過程中,該系統僅在5s內即可將功率提升到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?同時在轉子側,研究人員對永磁鐵的布置形式進行了優化,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高功率電驅動系統的技術潛力及協同運作效果進行檢驗,Vitesco技術公司的研究人員已將采用48V高功率電驅動系統的先進能量儲存模塊(AES)與功率為4kW的48VEmicat型加熱催化轉化器集成到同1輛試驗汽車上(圖4),并利用早期開發的P2混合動力模塊作為基礎?其中,研究人員已用全新的高功率電驅動系統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燃機與6檔手動變速器之間的位置,而內燃機與變速器之間配備有2款能實現自動控制的離合器,分別為K0和K1離合器?2個電動水泵可根據需求冷卻內燃機和電驅動裝置,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,相比未實現電氣化的基準車型,48V高功率FMEV在WLTP循環工況中降低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,樣車的制動系統僅能使制動系統實現有限的調配過程,并且手動變速器需要在能量回收期間與動力總成系統實現分離,以便實現換檔過程?另一方面,首款48V高功率驅動樣機尚未充分展示出未來量產產品的全部潛力?即便如此,研究人員通過進一步降低轉速,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循環工況中,而且也能應用于真實的行駛過程中?以德國Regensburg地區的市內行駛循環為例,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,其動態性能與僅使用內燃機加速時的參數比較?研究人員通過為車輛選用電助力系統,使其瞬態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?當內燃機輸出最大扭矩時,系統通過電機又進一步提高了驅動系統總扭矩?

5. AES和汽車電路

考慮到電壓系統共有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,該電路系統還集成了1款能實現雙向供電,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?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個并聯電池堆,其以LFP為基礎?由于當蓄電池處于荷電狀態(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,并聯過程則確保了供電系統的安全性?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?

系統在換用AES后就能取消質量較大的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量并節省結構空間之外,還具有其他優勢?即使在12V電壓側,鋰離子電池也能通過循環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換?AES能在6周時間內將12V電壓側的電能持續提供給停放的汽車,并且不會對車輛的起動能力產生負面影響?最后,此類工作能力較強的儲能器與用于電加熱的Emicat型催化轉化器實現了合理匹配,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是唯一適合于48V混合動力系統的電源?圖8作為實例示出了3種運行模式:關停發動機并進行滑行,緊接著再次起動內燃機,隨后系統處于相應的能量回收階段?在停車后,電池也處于平衡狀態?

6. 采用48V高功率電驅動系統的PHEV

雖然優勢顯著,但采用48V的高功率電驅動系統也會引發一系列問題,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高功率電驅動系統的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?因為在全球統一的輕型車試驗循環(WLTC)工況中,車輛會以純電動狀態通過大部分路程,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高功率電驅動系統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的汽車電路實現合理匹配?同時,研究人員為車輛配備了采用電加熱系統的Emicat型催化轉化器,即使在低溫條件下,該設備也能確保內燃機實現清潔運行的目標?

48V高功率電驅動系統能保留高電壓FHEV的性能,但是該類車型系統成本較高?借助于48V高功率電驅動系統,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%?通過采用48V高功率電驅動系統,研究人員能對高功率FHEV的設計方案進行調整?尤其在市區內,車輛能以純電動狀態行駛,或者由電助力系統輔助內燃機運行,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且采用量產技術的新型驅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,對其尺寸大小進行了優化,從而使其在WLTP循環工況內的CO2排放幾乎降低了20%,并且在48V-PHEV的設計過程中又能實現更理想的節油效果?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動解決方案,并且在成本和裝配方面均具有明顯的優勢?