降低CO2排放 高效內(nèi)燃機(jī)與48V插電式動(dòng)力設(shè)備的組合動(dòng)力系統(tǒng)就能解決

當(dāng)前針對汽車電動(dòng)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(dòng)力設(shè)備的組合動(dòng)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(duì)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(dòng)行駛。

1 強(qiáng)大的政治壓力

隨著汽車電動(dòng)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(dòng)力之外，同時(shí)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)

將 48 V 皮帶傳動(dòng)起動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)（BSG）集成到動(dòng)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(dòng)性和行駛動(dòng)力學(xué)性能。盡管如此，該類系統(tǒng)基于在皮帶傳動(dòng)中的布置，其在電動(dòng)行駛、靈活駕駛、制動(dòng)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(dòng)的扭矩受到限制也會(huì)帶來附加的技術(shù)挑戰(zhàn)。皮帶傳動(dòng)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(huì)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(shí)內(nèi)燃機(jī)并未脫開動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)出行方式，而且能獲得與結(jié)構(gòu)相同的高電壓全混合動(dòng)力系統(tǒng)相似的降低 CO2 排放的效果。

圖 1 P0～P4 型 48 V 動(dòng)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(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)的 P2 混合動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jì)成一個(gè)模塊，因?yàn)槠渫瑯幽茏鳛殡婒?qū)動(dòng)橋或作為小型電動(dòng)車（例如 A0 級(jí)三輪摩托車）的主驅(qū)動(dòng)裝置。

在開發(fā)中，現(xiàn)有的解決方案在驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)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(huì)引起電壓降，而將電流通至蓄電池則會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力總成系統(tǒng)能在最高車速為 50 km／h 情況下以電動(dòng)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(dòng)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(dòng)駕駛體驗(yàn)對其充滿吸引力。對于用戶而言，除了成本價(jià)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(jì)時(shí)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(shí)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(dòng)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(jí)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(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(huì)面臨 3 種有趣的情形：

（1） 高功率—受限制的持續(xù)時(shí)間—大電流；

（2）低功率—長持續(xù)時(shí)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(huì)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(dòng)力模塊中是較為可行的。此時(shí)，如需將其集成為一個(gè)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(gè)小型 DC／DC 轉(zhuǎn)換器即可在非主動(dòng)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(jì)能作為變頻器而進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)。

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(jì)，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(jì)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(dòng)橋。除了電機(jī)之外，其同時(shí)包括減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和離合器，后者在高車速時(shí)可使電機(jī)脫開動(dòng)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(gè)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(dòng)橋的系統(tǒng)架構(gòu)以及能量單元和 6 相電機(jī)的設(shè)計(jì)