當(dāng)前針對汽車電動化的大力推行使得車用內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展每況愈下,AVL公司作為回應(yīng),從而開發(fā)了一種高效內(nèi)燃機(jī)與48 V插電式動力設(shè)備的組合動力系統(tǒng),通過該途徑實(shí)現(xiàn)了一種充滿前景的替代方案,不僅降低了OEM制造商車隊的CO2排放,而且能使用戶在市內(nèi)能實(shí)現(xiàn)無排放的電動行駛。
1 強(qiáng)大的政治壓力
隨著汽車電動化的不斷推行,使得車用內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展情況捉襟見肘,特別是在歐洲,除了基于交通運(yùn)輸而設(shè)定的CO2排放法規(guī)所產(chǎn)生強(qiáng)大的政治驅(qū)動力之外,同時也要求對空氣品質(zhì)進(jìn)行顯著改善。此類要求也反映了未來歐7廢氣排放法規(guī)的嚴(yán)苛程度,特別是基于真實(shí)行駛排放(RDE)邊界條件,該法規(guī)的要求將超越美國超低排放車輛US-20法規(guī)的限值。
用于市內(nèi)行駛的微型車輛在附著質(zhì)量、結(jié)構(gòu)空間需求特別是全電氣化的成本等方面都受到限制,因此混合動力特別是48 V系統(tǒng)則具有重要意義。
2 當(dāng)前的48V驅(qū)動系統(tǒng)
將48 V皮帶傳動起動機(jī)-發(fā)電機(jī)(BSG)集成到動力總成系統(tǒng)已顯示出其獨(dú)特的應(yīng)用前景,其能改善內(nèi)燃機(jī)廢氣排放的適應(yīng)性以及駕駛機(jī)動性和行駛動力學(xué)性能。盡管如此,該類系統(tǒng)基于在皮帶傳動中的布置,其在電動行駛、靈活駕駛、制動行駛等方面無法提供充分的用戶使用經(jīng)驗(yàn)。除了上述限制之外,通過皮帶傳動的扭矩受到限制也會帶來附加的技術(shù)挑戰(zhàn)。皮帶傳動如需傳遞更大的扭矩就要求增加皮帶筋條和/或提高三角筋條皮帶的預(yù)緊力,由此會導(dǎo)致更劇烈的摩擦,從而增加燃油耗,而由此又不得不設(shè)法予以補(bǔ)償。
48 V系統(tǒng)相對于12 V系統(tǒng)的燃油耗優(yōu)勢是基于更大的能量回收潛力,甚至在考慮到DC/DC轉(zhuǎn)換器效率損失的情況下發(fā)電機(jī)仍具有良好的效率。這些限制以及在回收運(yùn)行能量時內(nèi)燃機(jī)并未脫開動力總成系統(tǒng)的實(shí)際情況,使得該系統(tǒng)降低CO2排放的效果逐步受限。
3 下一代48 V系統(tǒng)
與48 V-BSG相比,電機(jī)直接布置在動力總成系統(tǒng)中并且能使內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)脫離的系統(tǒng)能更有效地降低CO2排放,因而不僅能回收更多能量,而且還能提升實(shí)現(xiàn)汽車電動化的可能性。
圖1中示出的P2、P3和P4布置型式能夠?qū)崿F(xiàn)上述的電動出行方式,而且能獲得與結(jié)構(gòu)相同的高電壓全混合動力系統(tǒng)相似的降低CO2排放的效果。
圖1 P0~P4型48 V動力總成系統(tǒng)架構(gòu)以及在WLTC試驗(yàn)循環(huán)中按電機(jī)尺寸回收能量曲線
混合動力降低CO2排放的技術(shù)提升潛力主要依賴于能量回收系統(tǒng),因此本文的研究重點(diǎn)主要在改善回收能量的效率上。此處所考慮的邊界條件是由車輛大小、質(zhì)量、行駛阻力和行駛循環(huán)法規(guī)所決定的。系統(tǒng)分析(基于模擬工具AVL Cruise)表明,用于前橋橫置驅(qū)動結(jié)構(gòu)的P2混合動力方案能提供最高的能量回收潛力。
約20 kW的峰值功率是發(fā)電機(jī)處于運(yùn)行時能量利用與系統(tǒng)功率之間的良好折中。鑒于結(jié)構(gòu)空間需求、系統(tǒng)成本和模塊化/可縮放性,側(cè)置(偏置)系統(tǒng)提供了良好的潛力。由于偏置結(jié)構(gòu)附加的傳動比,能使用集成了變頻器且轉(zhuǎn)速高達(dá)18 000 r/min的高轉(zhuǎn)速電機(jī)。電機(jī)的這種方案能被設(shè)計成一個模塊,因?yàn)槠渫瑯幽茏鳛殡婒?qū)動橋或作為小型電動車(例如A0級三輪摩托車)的主驅(qū)動裝置。
在開發(fā)中,現(xiàn)有的解決方案在驅(qū)動運(yùn)行時可提供約25 kW或20 kW的發(fā)電機(jī)功率。功率的差別是以系統(tǒng)電壓為基礎(chǔ)的。由于蓄電池內(nèi)部存在阻抗,從蓄電池中獲取20 kW功率會引起電壓降,而將電流通至蓄電池則會相應(yīng)提高電壓,從而獲得更高的額定功率。
4 48 V插電式混合動力車
為了能在2025年或2030年達(dá)到規(guī)定的降低CO2排放的目標(biāo),從而需不斷優(yōu)化車輛的摩擦損失、變速箱的換擋策略以及內(nèi)燃機(jī)本身的熱管理方案,但即便如此,降低全混合動力車型的CO2排放效果仍然有待提升。
從邏輯角度出發(fā),需增加電動車所占的市場份額,借助于以VW Golf Ⅶ轎車為基礎(chǔ)的演示車輛進(jìn)行系統(tǒng)模擬就能體驗(yàn)到該目標(biāo)效果。為此,將AVL公司開發(fā)的效率優(yōu)化的內(nèi)燃機(jī)與20 kW電動后橋以及AVL公司開發(fā)的容量為5.3 kW·h的48 V蓄電池相組合,并在真實(shí)交通中進(jìn)行試驗(yàn)。這種優(yōu)化的動力總成系統(tǒng)能在最高車速為50 km/h情況下以電動狀態(tài)行駛20 km以上的里程(圖2)。
圖2 AVL演示車輛的CO2排放和架構(gòu)(PHEV=插電式混合動力)
5 日常局部無廢氣排放
為降低廢氣排放(例如CO2)而開展的研究并不完全在于用戶。自由進(jìn)入城市的零排放區(qū)域和電動駕駛體驗(yàn)對其充滿吸引力。對于用戶而言,除了成本價格以外,其主要關(guān)注的是行李艙、凈載質(zhì)量、行駛功率等方面的車輛特征。為了滿足系統(tǒng)中的相關(guān)要求,設(shè)計時需分析真實(shí)生活中的使用情況,例如需正確地開出車庫、橫越人行道邊沿、通過坡道和更長的距離,同時需考慮的不僅是從-30~60 ℃的溫度影響,而且還包括有小型車凈載質(zhì)量480 kg和自重1 250 kg等使用情況。
針對各類重要使用情況的廣泛分析即可正確地確定要求,例如對中歐使用情況的系統(tǒng)綜合即可得出了所需求的平均電動行駛里程為22 km,這對于市內(nèi)范圍行駛可充分滿足要求。
對于C級車和質(zhì)量為1 500 kg的車輛而言,其最大車輪功率需求約為25~30 kW,而車輛用于驅(qū)動的平均持續(xù)功率約為5 kW,用于諸如采暖/冷卻裝置、娛樂信息設(shè)備、汽車前大燈、刮雨器裝置等輔助設(shè)施平均需要增加1~3 kW功率,因此蓄電池的總持續(xù)功率需達(dá)6~8 kW左右。圖3 上圖示出了用于WLTC試驗(yàn)循環(huán)城市部分和用于真實(shí)城市行駛的功率需求比較。
圖3 WLTC城市部分和真實(shí)城市行駛以及WLTC需求的功率的比較
在考慮到從車輪直至蓄電池的傳遞路徑時,所需的電系統(tǒng)功率約為30~35 kW。若維持正常運(yùn)行的最低電壓為34 V,在30 kW時的峰值電流則為880 A。
影響電系統(tǒng)成本的主要因素是電流而并非是電壓,以此牽涉到選擇該類48 V系統(tǒng)的正確與否,正如ISO 6469-3標(biāo)準(zhǔn)(道路輸電安全性標(biāo)準(zhǔn))所規(guī)定的一樣,將更高的75 V高電壓作為系統(tǒng)電壓,也只能使電流減小約20%。
圖3下圖通過系統(tǒng)的綜合分析表明,高功率僅需要較短時間(絕大多數(shù)為1~5 s),因此對這些功率峰值的需求相對較少。如果需持續(xù)提供8 kW的最大功率,采用直徑大大幅減小的導(dǎo)線即可滿足其要求。
真實(shí)行駛和RDE法規(guī)的要求帶來了需進(jìn)行附加考慮的因素,例如低溫性能和使用壽命。如果考慮到對系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的相關(guān)要求,為此應(yīng)作出必要的調(diào)整。
諸如大電流及其所引起的損失、高電流脈沖時的電壓突破以及蓄電池的低溫性能等關(guān)鍵性的挑戰(zhàn),在當(dāng)前的系統(tǒng)架構(gòu)下通常是難以解決的。由此為了將這些要求模型化,應(yīng)用系統(tǒng)工程方法將會面臨3種有趣的情形:
(1) 高功率—受限制的持續(xù)時間—大電流;
(2)低功率—長持續(xù)時間—小電流;
(3) 低溫—功率不降低。
在該類系統(tǒng)架構(gòu)中使用的48 V蓄電池具有400 W·h的能量。由此導(dǎo)致的限制是較高的能量損失和效率的降低(圖4)。正如在系統(tǒng)架構(gòu)中所表現(xiàn)的一樣,該類蓄電池和能量傳遞途徑在滿足上述1和3兩種要求的情況下會顯示出相應(yīng)弊端。
圖4 12s2p和400 W·h-48 V蓄電池的功率輸出和內(nèi)部損失
能充分滿足此類要求的蓄能器是一種雙層電容器(DSK),這種技術(shù)的缺點(diǎn)是電壓升程較大。蓄電池與雙層電容器的組合對于上述任務(wù)是一種充滿希望的解決途徑。為了將損失降低到最低程度,有別于大多數(shù)其他方案,將電容器集成在動力模塊中是較為可行的。此時,如需將其集成為一個模塊,則有兩種可能性:第一種可能性是應(yīng)用一種簡單的半導(dǎo)體開關(guān)將電容器連接到蓄電池電壓上,從而降低成本。在該情況下一個小型DC/DC轉(zhuǎn)換器即可在非主動狀態(tài)下進(jìn)行充電和放電。第二種可能性是預(yù)先應(yīng)用一種大電流DC/DC轉(zhuǎn)換器,此類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計能作為變頻器而進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。
在該兩種情況中,雙層電容器的數(shù)量需根據(jù)功率和能量需求來決定,而非取決于電壓水平,由此能實(shí)現(xiàn)有利于降低成本的設(shè)計。
基于分開式系統(tǒng)架構(gòu)所應(yīng)用的蓄電池在低溫性能和峰值功率方面的要求較低,允許采用帶有能量單元的蓄電池設(shè)計,這些能量單元在安裝容量方面能達(dá)到較高的能量密度和較低的成本。
最后,應(yīng)考慮電機(jī)和變頻器較高的電流需求。如果將設(shè)計從3相改成6相而沒有星形連接點(diǎn)的話,那么電流將減小一半,每3相的損失將減小到四分之一,每6相的損失就減小到一半,類似于等式P=I·R。
6 新的高功率系統(tǒng)架構(gòu)
新的系統(tǒng)架構(gòu)(圖5上圖)能滿足不斷提升的要求,在WLTC試驗(yàn)循環(huán)中根據(jù)所安裝的蓄能器能使CO2排放低于65 g/km。
這種系統(tǒng)架構(gòu)的核心部件是AVL-48 V電動橋。除了電機(jī)之外,其同時包括減速傳動機(jī)構(gòu)和離合器,后者在高車速時可使電機(jī)脫開動力系統(tǒng)。集成在電機(jī)中的變頻器(圖5下左圖中藍(lán)色標(biāo)記)被安裝在一個共用的殼體中(圖5下圖),并將水冷卻循環(huán)回路與電機(jī)分開。
圖5 基于系統(tǒng)合成和AVL-48V高功率電動橋的系統(tǒng)架構(gòu)以及能量單元和6相電機(jī)的設(shè)計
48 V高功率系統(tǒng)由于在混合動力車(HEV)、插電式混合動力車(PHEV)和純電動車(BEV)上存在著廣闊的
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