48V高功率电驱动系统的设计与开发

根据欧盟对汽车CO2排放限值的要求,至2025年,这一排放指标须比2021年降低15.0%;至2030年,这一排放指标须比2021年降低37.5%｡目前,研究人员需要进一步降低新款车型的CO2排放,为此应大力推广电气化动力总成系统｡除了纯电动汽车和插电式混合动力汽车(PHEV)之外,全混合动力汽车(FHEV)也属于该类车型｡FHEV虽然无须进行外部充电,但是仍能以纯电动状态行驶,特别是在市区范围内｡

研究人员如果对德国混合动力汽车市场可公开得到的数据进行分析,那么就能获得如下信息:轻度混合动力汽车(MHEV)在车辆品种和价格等级方面覆盖面较广(图1)｡与其余系统相比,MHEV所减少的CO2排放较为有限｡目前,已实际投产的FHEV车型数量相对较少,但其开发过程覆盖了整个车型领域,并且FHEV的CO2排放明显低于MHEV｡PHEV的CO2排放认证限值相对较低,但其缺点是成本高于MHEV和FHEV,因而通常仅用于高档车型｡从当前市场状况出发,研究人员提出了1个新观点:为了降低新车型的CO2排放,必须进一步降低整个车型区段的燃油耗｡

1. 基于48V高功率电驱动系统的数据传输设计

为了进一步优化设计过程,研究人员必须了解电驱动系统所需要的功率｡除了模拟效率之外,研究人员需要使FHEV在实际行驶过程中也能实现具有较高响应性的数据传输分析过程｡Vitesco技术公司在进行上述试验时,为其试验车辆和基准车辆各配备了1款物联网客户端(IoT-Client),同时将汽车上产生的运行数据与图表信息相结合,随后将其储存到云端,方便研究人员随时对新产生的问题开展试验研究,并予以解决｡

图2示出了这种分析的结果,表明了在不同行驶环境中,动力总成系统对驱动功率和回收功率的分配情况｡为了排除换档过程及涡轮增压器动态性能所产生的影响,并将其作为获取数据的载体,1款C级车型在不同路段将由几位试验人员轮流驾驶,其总行驶里程为4887km｡当车辆在市内行驶时,仅需要20~30kW的功率即可满足试验要求｡因此,在长途行驶的情况下,该方案也会很好地成为实际运行过程的重要组成部分｡在回收能量时,30kW以下的功率等级依然起着重要作用,其覆盖了几乎所有的能量回收过程,并与道路类型无关｡总而言之,在C级车型中,FHEV在市内能以纯电动状态行驶,而在真实行驶过程中,由于其能回收较多能量,从而具有较高的效率｡因此,研究人员将电驱动功率设定在20~30kW之间是较为合理的｡

2. 48V高功率电驱动系统

为了满足用户对FHEV电驱动系统的要求,研究人员应尽可能降低48V驱动技术的成本,Vitesco技术公司利用了其多年来在该领域内的研发经验,逐步提高产品潜力,成功开发出了1款48V高功率电驱动系统｡该系统能在短期内提供较高的功率,相当于原48V电机的200%,同时能以低于市场价格25%的前提满足典型的高电压全混合动力化的基本特性｡

该款48V高功率电驱动系统预计将于2024年投入批量使用｡在发动机运行过程中,该系统仅在5s内即可将功率提升到30kW,并可提供70N·m的扭矩(图3)｡新型电机在20s内能输出高达20kW的功率,同时能以12kW的功率维持运行｡新型电机的长度为235mm,直径仅为175mm,能以横置形式布设于汽车前部｡同时,该款电机原则上可用于混合动力汽车的多种集成型式(P0､P1､P2､P3和P4等型式)｡该款新型永磁式同步电机(PSM)采用液体冷却方式,转速高达20000r/min｡研究人员为这种PSM的定子选择了合适的绕组｡同时在转子侧,研究人员对永磁铁的布置形式进行了优化,通过磁阻附加的方式显著提升了扭矩｡集成在装置中的6相换流器以功率电子器件和集成在印刷电路板上的功率半导体为基础,从而使系统具有更高的功率密度｡目前,第1款样机的效率已高达90%,等到其投入批量使用时,效率还将进一步提高｡

3. 试验汽车

为了对48V高功率电驱动系统的技术潜力及协同运作效果进行检验,Vitesco技术公司的研究人员已将采用48V高功率电驱动系统的先进能量储存模块(AES)与功率为4kW的48VEmicat型加热催化转化器集成到同1辆试验汽车上(图4),并利用早期开发的P2混合动力模块作为基础｡其中,研究人员已用全新的高功率电驱动系统替换了目前仍在使用的48V电机｡研究人员可为储能器选用2种方案:(1)使用AES来驱动FMEV;(2)选择使用1款尺寸较大的48V蓄电池,以便测试48VPHEV的技术潜力｡电机可通过皮带传动机构从侧面集成到内燃机与6档手动变速器之间的位置,而内燃机与变速器之间配备有2款能实现自动控制的离合器,分别为K0和K1离合器｡2个电动水泵可根据需求冷却内燃机和电驱动装置,因而有着较好的应用效果｡试验车型配装了Ford公司旗下的1款1.0LEcoBoost3缸涡轮增压汽油机｡

4. 燃油效率和机动性

模拟计算结果表明,相比未实现电气化的基准车型,48V高功率FMEV在WLTP循环工况中降低CO2排放的潜力提升了19%(图5)｡研究人员通过对试验汽车进行测量,证实了模拟计算的结果｡一方面,该方案能提高能量回收的潜力,样车的制动系统仅能使制动系统实现有限的调配过程,并且手动变速器需要在能量回收期间与动力总成系统实现分离,以便实现换档过程｡另一方面,首款48V高功率驱动样机尚未充分展示出未来量产产品的全部潜力｡即便如此,研究人员通过进一步降低转速,并充分利用电机扭矩,还能使燃油耗降低约1%｡

48V高功率FMEV的能量效率不仅能应用于WLTP循环工况中,而且也能应用于真实的行驶过程中｡以德国Regensburg地区的市内行驶循环为例,车辆由不同试验人员在不同行驶状况下进行驾驶,由此测得的百公里平均燃油耗仅为4.7L｡

除了较高的效率之外,研究人员通过充分利用电机的扭矩以改善车辆的机动性｡图6示出了试验车辆在以第3档从20km/h加速到60km/h的过程中,其动态性能与仅使用内燃机加速时的参数比较｡研究人员通过为车辆选用电助力系统,使其瞬态扭矩响应时间缩短到200ms,达到最高速度的反应时间缩短了三分之二,并使涡轮迟滞效应得到了充分补偿｡当内燃机输出最大扭矩时,系统通过电机又进一步提高了驱动系统总扭矩｡

5. AES和汽车电路

考虑到电压系统共有12V与48V2种电压类型,研究人员对混合动力汽车电路进行了充分简化｡电路采用了1款共用2种电压回路的储能器｡为此,Vitesco技术公司的研究人员已开发了1款配备有12V与48V2种电压输出端的组合式锂离子电池,并应用于48V高功率FMEV车型上｡在AES内部,研究人员将12V电池堆与36V电池堆进行连接,从而能对外输出12V与48V2种电压(图7)｡此外,该电路系统还集成了1款能实现双向供电,功率为3kW的直流(DC)变流器,以及适用于2种电压的电池管理系统｡这种试验样机的额定容量为1.45kW·h,并能提供高达40kW的电功率｡研究人员可通过1款整体式风扇对AES进行冷却,同样也能采用液体冷却,与适用于48V-P0系统的电池相似｡

应用于AES的2种电池堆分别采用了不同的锂离子电池片｡12V侧使用了容量为40A·h的2个并联电池堆,其以LFP为基础｡由于当蓄电池处于荷电状态(SoC)时,空载电压的变化较小,因此其性能较为理想｡12V侧能以其较小的电压进行限度供电,并联过程则确保了供电系统的安全性｡与此相反,由于容量为28A·h的NMC电池片具有较高的功率密度,因此在36V电压侧的电池堆上得以广泛应用｡

系统在换用AES后就能取消质量较大的12V铅酸蓄电池｡与配备有2款铅酸蓄电池和外部DC/DC换流器的方案相比,该方案除了能明显减轻质量并节省结构空间之外,还具有其他优势｡即使在12V电压侧,锂离子电池也能通过循环放电和充电来充分利用已有的电池容量｡同时,储存的能量可通过DC/DC换流器在2个电池组之间进行来回转换｡AES能在6周时间内将12V电压侧的电能持续提供给停放的汽车,并且不会对车辆的起动能力产生负面影响｡最后,此类工作能力较强的储能器与用于电加热的Emicat型催化转化器实现了合理匹配,即使在低温情况下,也能确保高效的废气后处理过程｡

研究人员已在蓄电池试验台和48V混合动力汽车上,分别对这种AES样机开展了相关试验,并且已证实了该系统是唯一适合于48V混合动力系统的电源｡图8作为实例示出了3种运行模式:关停发动机并进行滑行,紧接着再次起动内燃机,随后系统处于相应的能量回收阶段｡在停车后,电池也处于平衡状态｡

6. 采用48V高功率电驱动系统的PHEV

虽然优势显著,但采用48V的高功率电驱动系统也会引发一系列问题,即采用大型蓄电池的方案是否也适合于PHEV车型,以此节省更多的燃油｡研究人员对该问题已开展了相关研究｡通过外部充电,车辆能以纯电动模式参与试验过程｡模拟计算结果表明,按照EU2017/1151标准,采用这种配置的C级汽车经加权平均后的每公里CO2排放能低于50g,因此目前已在许多国家作为低排放车辆加以推广｡在德国,通过购买该类车型,用户可得到4500欧元的补贴｡

针对PHEV的实际燃油耗与驾驶员行为之间的关系,研究人员开展了技术研讨｡就以本文所介绍的采用48V高功率电驱动系统的PHEV为例,社会各界主要关注的是其燃油耗是否能达到柴油车的水平｡因为在全球统一的轻型车试验循环(WLTC)工况中,车辆会以纯电动状态通过大部分路程,因此只要采用容量为8.6kW·h的蓄电池即可满足行驶需求｡充满电后,在后续的50km行驶路程中,车辆的百公里燃油耗为1.6L(图9)｡

7. 结语和展望

48V高功率电驱动系统为客户提供了潜在的技术可能性,并使得电气化技术能广泛用于多种车型｡AES作为1类结构紧凑且功率强劲的能量供应单元,能与12V与48V的汽车电路实现合理匹配｡同时,研究人员为车辆配备了采用电加热系统的Emicat型催化转化器,即使在低温条件下,该设备也能确保内燃机实现清洁运行的目标｡

48V高功率电驱动系统能保留高电压FHEV的性能,但是该类车型系统成本较高｡借助于48V高功率电驱动系统,相比高电压FHEV,市场价格能降低25%｡以配备有大容量蓄电池的PHEV为例,按照目前的评估结果,其成本比高电压技术降低了10%｡通过采用48V高功率电驱动系统,研究人员能对高功率FHEV的设计方案进行调整｡尤其在市区内,车辆能以纯电动状态行驶,或者由电助力系统辅助内燃机运行,从而明显改善车辆的机动性｡

对于整个车辆型谱而言,这种功率为30kW且采用量产技术的新型驱动装置有着较好的应用前景｡同时,研究人员已从平台的适用性出发,对其尺寸大小进行了优化,从而使其在WLTP循环工况内的CO2排放几乎降低了20%,并且在48V-PHEV的设计过程中又能实现更理想的节油效果｡在上述领域,研究人员通过选用合适的电机,有效降低了整车CO2排放｡就未来纯电动汽车方案而言,48V高功率技术是其唯一适用的驱动解决方案,并且在成本和装配方面均具有明显的优势｡