48V微混系统技术解密

8848汽车技术论坛2021-02-20 12:52:16



在油耗严政下,48V微混系统作为比较现实可行的一种节能减排方式,在近两年备受车企及零部件厂商的推崇。几大供应商更是先后给出了具体的量产时间表,而伴随量产计划的逐步实施,48V系统大潮或将来临。那么,48V能否成为车企解决油耗问题的优选?其之于纯电动汽车,是过渡还是挑战?有哪些关键技术关系到该方案的提升?基于此,8848汽车论坛搜集整理相关文献,整理此文,供业界学习与参考!

48V微混系统,大势以来


一、舍弗勒展示48伏电气系统/高压混动模块 加快电气化

舍弗勒集团近日发布声明称,为了应对日趋严格的排放法规并满足全球移动交通的需求,其将加快动力传动系统电气化进程。

北美车展期间,舍弗勒代理CEO兼首席技术官彼得·古兹曼(Peter Gutzmer)指出,到2020年,20%的汽车将实现电气化。如果2030年全球汽车产量达到1.2亿辆,那么电动车将达到1,000万辆,占比约9%。

为此,舍弗勒提供了一系列解决方案,将混动模块、电驱动桥、轮毂驱动等产品整合到混动车或纯电动车中,包括48伏电气系统和高压混动模块。


动力传动系统电气化解决方案

舍弗勒去年开发了一种新型P2(并联,双离合)高压混合动力模块,该模块安装在内燃机和变速箱之间,并可以使发动机扭矩达到800牛·米。目前新一代P2混合动力模块可用于轻度混动车以及插电式混动车。

舍弗勒P2混合动力模块以一种创新的方式来分配发动机扭矩:扭矩传递的途径取决于其方向,扭矩经由300牛·米的分离式离合器传递至曲柄轴,而内燃机牵引扭矩则经由单向离合器传递至变速箱。由于离合器设计较为紧凑,即使在高扭矩条件下,其在空间利用和成本方面依然具有明显优势。

据悉,舍弗勒新型P2混合动力模块由一个自动分离式离合器和一台电动机组成。分离式离合器通过机电中央离合器释放系统来完成工作,滚珠丝杠传动可以直接带动离合器运行,而无需液压传动介入,因此也不需要在混合动力模块外部安装额外的致动器。

而使用单向离合器也具有其它益处。尽管加速往往会涉及到内燃机、分离式离合器、电动机、和变速箱等一系列复杂的装置,不过舍弗勒则确保了离合器和发动机之间的接合恰到好处。一旦发动机和电动机转速同步,单向离合器便可以与发动机瞬间机械联结,从而可以更快地对其进行调节。

驾驶员踩下油门踏板后,便可体会到发动机的动态连接性能,在某种程度上,也提升了舒适性。当电动机充当发电机来储存电能时,单向离合器便不再传递扭矩,此时发动机也不会协同离合器工作。

当车辆在低速状态下行驶以及离合器在1500转/分钟转速下微滑时,通过优化减震器能够主动减振,在实现舒适性的同时也提升了空间利用率。

舍弗勒表示,其新一代P2高压混合动力模块将于2017年首次在中国量产,其功率高达80千瓦,可用于插电式混动车。不过前期该模块并不带单向离合器,而其使用的电动机效率则大幅提升至96%。

混动车/纯电动车技术革新

电驱动桥:舍弗勒电驱动桥同时为混动车和纯电动车提供了一套完整的解决方案。舍弗勒以客户的需求和不同喜好为基础,根据车辆的特性开发了模块化部件,其中结构最简单的方案是采用同轴或平行轴设计单速比电驱动桥。

由于差速器采用了行星齿轮设计(由单级或双级行星齿轮组组成),因此传动系统结构非常紧凑。另外,其提供了大量的空间用于安装永磁同步电机(PSM)或异步电机(ASM),电机配备或不配备电力电子装置均可。

对于插电式混动车而言,其在纯电动模式下续航里程约20至50公里,车速可达到120公里/小时。当在需要长途驾驶或者要求更高车速时,发动机就会便会参与工作。

轮毂驱动:舍弗勒从2007年开始研发轮毂驱动技术,该技术目前已经运用于福特嘉年华,主要供测试使用。

舍弗勒称,对于电动车而言,轮毂驱动技术才是最佳解决方案。其E-Wheel Drive轮毂驱动系统集成了电机、电力电子装置、控制器、制动和冷却系统,从而完成驱动、减速等操作及确保驾驶安全。


另外,相比中央驱动方式,轮毂驱动的前后质量分配和空间利用更合理,这也在保证车辆性能的同时提升了操控性。

48伏电气系统

尽管当前市面上大部分混动车的工作电压超过300伏,不过舍弗勒依然坚持开发48伏车载电气系统,以生产能够在低速条件下行驶的电动车。

去年舍弗勒已经同大陆集团以及福特汽车合作,共同展示了汽油技术概念车(GTC)。这款概念车通过集成微混技术使福克斯轿车(采用1.0升EcoBoost涡轮增压三缸汽油发动机)的油耗及二氧化碳排放量进一步降低了17%。

舍弗勒目前还开发出了传动辅助装置(TDA)。从本质上讲,TDA是一款并联式混动系统,该系统由传动系统和48伏MGU之间的可选功率流组成。其取消了传统带式驱动,转而被连接至动力系统,完成能量回收操作,并减少了二氧化碳排放。

舍弗勒还基于奥迪TT开发了一款概念车,并进行了大量试验,该车配备了48伏ISG(起动发电一体机)、12千瓦电机及锂电池等。


当内燃机转速较低时,通过电机的电子助力功能确保在没有涡轮迟滞的情况下维持足够的扭矩,并完成能量回收,用于为车灯、收音机或座椅调节等电气部件供电。

随着48伏电气系统的推出,汽车的工作效率也将明显提升。舍弗勒还希望能够改进底盘技术,优化车辆结构,例如取代当前采用的液压控制防倾杆,转而使用机电主动侧倾控制系统来提升燃油经济性及减少碳排放。


二、大陆集团推出“48伏环保驾乘”系统

为进一步降低油耗、减少排放,国际汽车零部件供应商大陆集团致力于填补价格合理的12伏启停系统与昂贵的高压混合动力(≧110伏)解决方案之间的空白。对此,大陆集团研发并推出了“48伏环保驾乘”系统。这项新的混合动力技术能轻松整合进采用传统驱动系统的汽车架构,同时又提供迄今只有高压混合动力系统才能实现的功能——例如在行驶(“航行”[sailing] 和“滑行”[coasting])期间关闭发动机,极其迅速、平稳地启动发动机及实现高效的制动能回收。大陆集团的这项新技术将于2016年投入量产,客户是多家欧洲汽车制造商。

德国VOX电视台于11月16日下午5时在其“auto mobil”节目上演示了该系统的省油潜力。VOX的节目组人员在真实条件下(主要在城市环境中)对大陆集团的演示车进行了测试,这是一辆标准的紧凑型轿车,采用配置了“48伏环保驾乘”系统的1.2升汽油发动机。测试结果表明,与采用12伏启停系统的标准车相比,演示车的省油率可达21%。

来自紧凑型车和中型车的预期需求非常高

大陆集团动力总成事业部业务拓展及战略负责人Christopher Breitsameter表示,“汽车制造商需要低价位的‘清洁动力’解决方案,即每克CO2排放减排的成本在两位数欧元范围内,我们的‘48伏环保驾乘’系统正好能满足这个需求。”

Breitsameter又补充说:“我们认为对该系统的最大需求量将会来自数量庞大的紧凑型车和中型车市场,而欧洲也将在引入48V技术上走在前列。” 据业内人士估计,到2025年,约20%的全球新车将拥有电气化的驱动系统,其中约半数将搭载48伏混合动力系统。

内燃机近三分之一时间将处于关闭状态

在大陆集团的“环保驾乘”系统中,48伏车载电源(用于补充12伏电源)由三个部件组成:带有集成逆变器的电动机(以取代发电机)、48伏锂电池和用于在两个车载电源之间交换能量的电压变换器(直流/直流变换器)。“48伏环保驾乘”系统的能量回收效率显著高于12伏系统。回收的能量存储在强劲的锂电池中,所以有更多动力可供节油模式使用,其中包括将启停功能上升为驾驶模式,这意味着内燃机在近三分之一时间将处于关闭状态。48伏电源为12伏车载电源提供支持,并确保所有电动功能的正常工作。相比之下,传统12伏启停系统常常需要重启发动机来操作能量密集型部件(如空调单元)或者在汽车静止时不关闭发动机。

“滑行”、“航行”、“电动助力”和发动机重启期间的极高舒适度

“48伏环保驾乘”系统可在驾驶员的脚离开油门时立即关闭内燃机。这会使动力总成系统与发动机“脱离”,让汽车靠惯性行驶。在普通出行期间,系统在20-25%的时间内处于“滑行”状态,仅此一项即可节省多达8%燃油。另外,“环保驾乘”系统还有两项可让皮带式起动发电机充当发动机的功能。在“航行”模式(如同在“滑行”模式下一样,内燃机亦处于关闭状态)下,电动机使汽车速度在短时间内保持恒定。借助 “电动助力”[e-boosting] 功能,电动机还可在加速时为发动机提供支持。


三、奥迪推出全新48伏混动系统 配备A6 TDI等车型

事实上,早在2014年,奥迪通过两款概念车展示了全新的48伏电气(混动)系统。未来该系统将用于更多奥迪新车,从提升车辆的动力输出和燃油效率,推动汽车新技术融合应用。

和部分零部件巨头类似,奥迪用48伏电气系统取代了原先微混系统中的12伏电气系统,。最新搭载48伏电气系统的车辆为奥迪A6 TDI概念车和RS 5 TDI概念车。这两者是奥迪公司专门的技术示范车,均配备了电力驱动的增压机。

奥迪A6 TDI和RS 5 TDI的电力增压机运转可以不受发动机载荷的影响,能够从根本上改善车辆的加速性能。此外,新48伏电气系统还可以用于车辆的底盘控制系统,尤其适合为车辆舒适性功能进行供电。虽然奥迪目前尚未公布搭载该48伏电气系统的量产车型信息,但预计很快将揭晓。

奥迪高管表示,目前的汽车电气技术已经发展到了12伏电气系统的应用极限。由电动机产生的能量输出需要应对各种不同工况的静态负载,尤其是在低温情况下,电动机的能量需求可以达到3千瓦。高性能电力增压机产生了全新不同工况动态负载,而目前的12伏电气系统所采用的电池电力将不再能够满足需求。

为解决以上问题,方案之一在于增配48伏电气系统。更高的电压驱动就意味着系统中导线截面积可以更小,从而轻化电缆线束并进一步降低功率消耗。

此次推出的48伏电气系统采用了全新的电池储能技术,与传统的12伏铅酸电池电气系统相比,能量容量更高。

在目前48伏电气系统研发程度最为成熟的技术设计方案中,车辆将采用一套紧凑型锂离子电池作为无发动机机械增压情况下电动增压的能量来源。此外,车辆还将为12伏电气系统配备一个直流/直流(DC/DC)的变压器进行高低压转换。

锂离子电池将与一台交流电动机协同工作,其全新效率经过优化设计,可作为轻度混合动力系统,可以根据需要实现对发动机启动、控制以及熄火的多种控制方式。

奥迪新48伏电气系统可以实现10千瓦的能量回收功率,与目前电气系统的能量回收功率相比,远远高于后者。新系统可以降低10克的二氧化碳排放,每100千米可以节省0.4升的燃油消耗。

奥迪公司还成功研发出一种可以扩展的平台化概念设计,其中就包括以上电动增压机电气系统,从而成为电气化战略的重要组成。


四、捷豹路虎48V混动—分析电增压技术发展

本文:捷豹路虎动力总成开发工程师唐华寅博士

先从48v弱混系统开始说,做一个简单的介绍,群里专家也很了解。后面会从奥迪使用的这套电增压和弱混系统开始说,介绍一些案例和具体使用情况。最终的目的是从整个动力总成的角度来看,它能够产生什么样的作用。电增压这套系统是很复杂的。主要是因为电增压零件产品很小,深度的参与到电力系统和发动机的进排气以及燃烧系统的工作当中,不像传统的P0、 P2混动,电机相当于提供扭矩的支持或回收能量,没有更多的参与到发动机内部的运转当中。想要完全把电增压系统潜能压榨出来,有很多工作要做。

48V系统不管是在欧洲还是中国市场都受到比较大的关注,从欧洲这个角度来看,之所以比较受认可,主要是因为48V的通用性和成本。按照各国法规来看,对碳排放的要求逐步严格,对于主机厂来说,需要一套系统逐步满足每一个阶段的排放和油耗要求作为技术路线图。

说到48V,离不开并联混动整体的构架,48V一般是在p0位置最为常见,从主机厂考虑,用传统的动力总成系统,成本是最低的,沿用以前的整体构架,发动机也可使用原有的,当然需要经过油耗和碳排放优化。

因此通用性是欧洲主机厂最看重的,可以延续到欧6等排放法规。逐步在动力总成系统上增加其复杂度和其所包含的零部件系统。

48V系统考虑到60V的安全标准,电池电压会有上下浮动,存在完全正常工作的范围,也有降低性能的电压区间。如果加上一个上下浮动的电压区间,还能保持在60V以内,即是一个应用成本较低的方案。

群里有同僚问 rde是什么?Rde是实际路况驾驶情况下的排放,欧洲已经开始检测,目标是使主机厂的车不再是简单的应付考试,而是在实际路况下也能达标,里面包含一套复杂的算法。这套算法会判断在实际路况驾驶汽车时的排放测试是否符合rde的要求,另外有一套判别标准判定实验是否有效,最后通过加权系数计算结果。

图片上是一个电增压系统剖面图,来自公开场合。功能上,现在的电子增压器主要是瞬时工作,不会有持久工况。电增压系统存在一个曲线。横轴是工作强度,纵轴是工作输出最大功率,电增压的控制器会实时监控使用强度和在使用过程中最大输出功率。现在主流的电增压供应商,产品寿命一般是1000~2000小时工作时间,假设整车寿命是10~20年,基本上每天可以使用几十分钟,如果按照瞬间工况每次使用几秒,那么一天可以使用几百次,所以电增压可以达到整车的寿命要求。

现在图片上看到是奥迪之前发布的RS5的电增压系统构架,属于第一代系统。并没有使用48Vbsg,而是12V。所以RS5上的控制策略是使用回收的能量来提升发动机扭矩响应速度,而并不是以降低油耗的目的为主。从储能系统来看,欧洲各个主机厂在做的的48V系统框架和这个类似,基本上在12V和48V电池中间用dcdc连接,构件常见。

这幅图片是今年奥迪SQ7上搭载的48V系统,用到了48V的bsg 能够提供更多的能量回收。虽然其任然是以改善扭矩响应速度为主要目标,但是已经具有油耗改善的功能。常见的48V混动系统,电池一般不会超过半度电,少则在0.1-0.2度左右,多则在0.4 ~0.5,取决于能量管理的需求。

这幅图是奥迪系统内具体的增压器构架。从进气来说,经过平行二级增压系统,在低荷载时只使用一个增压器,流量足够时平行通过两个涡轮增压器,热气体通过中冷降温到达图片右下角的电子增压器,进入进气歧管。当流量比较大的时候,电增压将会旁通,这就需要一套额外的电子系统来控制电增压的旁通。因此对于主机厂来说,不光要考虑到电增压单个零部件的成本,还要考虑到旁通的管路以及旁通阀和控制系统的成本。

这张图是举例说明了电增压器的构架,变种有很多,例如电增压器可以设置在涡轮增压器的上游或者下游,中冷器的位置可以在两级中间或者进气歧管之前,两个位置均设置中冷也是可行的。电增压的位置和中冷的布局会影响到经过电增压的气体的体积流量,从而影响电增压器尺寸的选择。但是如果中冷的布置比较复杂,会对整体发动机舱和系统的布局带来比较大的挑战,尤其是整车前端的冷却系统,会出现在个别工况下,整车冷却程度不够的情况。在实际前期开发当中,通过系统工程能够克服上述情况。

这张图是单独的电增压产品。电机方面有两种,永磁电机和开关磁阻。法雷奥用在奥迪上量产的是开关磁阻,成本较低,但是在控制和NVH以及效率上会有一些难度,毕竟是低压系统,要比在p2上要容易克服。

法雷奥开关磁阻的电增压系统最早是由cpt设计开发的,这个公司离英国福特技术中心不远,他们把3.5t以下的乘用车应用市场上的电增压技术卖给了法雷奥。Cpt本身还在做其他应用场合的开关磁阻电机,包括涉及到启停甚至p4的混动布局里使用到的电机。

除了法雷奥和cpt以外,其余主流涡轮增压厂商,也已经布局到这个市场,并且很快会有量产的产品,如霍尼韦尔、三菱、博格华纳、皮尔博格、博世马勒等。

电增压的工作环境比较复杂,如果在涡轮增压器下游,可能会接触到180度增压后的高温气体,一般来说,低功率的电增压系统使用空气冷却,高功率的电增压系统使用水冷。在电增压零件内部也会有温度的测量和模拟,当电增压控制器认为内部温度超标,就会切断电增压的使用。

压轮方面,一般使用低速离心式,也有使用普通高转型,达到15万转以上,比如法雷奥使用的是低速压轮,最高转速一般在6到7万之间,更大的增压比,但是流量较小。

从动力总成系统来考虑,宏观来说配合bsg48V系统,能够额外带来2%~3%数量级上油耗改善的潜能,针对某个车型或者发动机会有较大变动,前提是整个系统工程都要做的非常良好才能达到这个水平。

电增压主要是在瞬时工况使用,如果不对发动机做其他方面的调整,发动机稳态油耗不变,变速箱的匹配在稳态上不会受到电增压的影响,主要改善来源则是通过电增压使扭矩响应变得更快,变速箱使用更高的档位,降低发动机在瞬时工况下的转速,提升发动机的载荷,进入更好的运行区间。

另一方面,小型化发动机涡轮增压的响应和自然吸气不同,通过电增压的辅助,使用更大型号的涡轮,提升发动机功率,能够使得发动机的小型化更加有效。以往的小型化是通过提升发动机在各个转速上的最大扭矩来实现的,相当于提升发动机的载荷。使用电增压一般维持发动机最大载荷,通过使用更大的涡轮,相当于把原来的小型化的发动机的扭矩平台继续往右再延伸。此举涉及到整个动力总成的匹配,每一个零件都会受到影响。通过电增压来达到进一步小型化,不会过分牺牲发动机的效率,压缩比基本上可以维持不变。但是电增压的使用不是说随便一个发动机就能够匹配,需要整个系统的优化,更适合于新的动力总成系统。

从汽油机的角度来考虑,使用了电增压系统,经过换挡策略的优化,发动机的转速会下降,载荷会上升,需要重新标定进排气系统,气门开启时间,由于扫气会收到进排气压差的变化从而对油耗和排放都会产生影响。跳出发动机的角度,看整体的能量管理,假设经过动能回收得到的能量是固定的,如果没有电增压,这部分能量会用在bsg来进行扭矩支持。

实际上从系统级别来理解电增压的能量管理,存在功率放大的作用。电增压获得的功率不会直接作用到传动系统也就是车轮上,而是给发动机提供更多的进气,让发动机可以燃烧更多的油,发动机最终能够输出的额外的功率会比电增压本身消耗的能量要多,可以达到3~5倍。

打个比方,一般的bsg最大扭矩输出大概在50牛米数量级,假设传动比是2.5,曲轴上最多能够进行扭矩的辅助大概是100多牛米数量级。如果使用电增压,最终发动机在曲轴输出额外的扭矩要比这个数量要多很多,并且能够改变顺势响应的曲线特性,在车辆加速过程中能够给变速箱的换挡策略的匹配带来很大的灵活度。允许使用更高的档位,降低发动机在瞬时加速过程中的每一个时间节点上的油耗。

目前供应商在推的48V用bsg有扭矩支持的功能,如果成本许可,再加一个电增压器,使用电能来提供瞬时扭矩辅助的功能,效率会比bsg高。但是现在电增压的成本和油耗改善的比例只是刚刚达到欧洲主机厂设定的标准。

从宏观来看,电增压这个产品实际是提升了响应速度,我们可以把一部分响应速度改善用于转化成油耗的改善和排放的降低。电增压以后的发展趋势,主要供应商都在向稳态转变,所以对电增压的冷却和整体的设计有更高的要求。

从电增压控制的角度来看,一般是放在发动机扭矩管理中,经过发动机和整车扭矩需求来计算出相对应的电增压的转速需求,最后传递给控制器。

最后这张来自ICDP的图片是有和没有电增压的车辆在加速过程中选择档位的情况。使用了电增压以后可以允许使用更高的档位来达到同样的加速度,相当于降低发动机的转速。

(文章部分内容引自:盖世汽车)

【全文完】


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