2020年01月16日 | AVL开发市内零排放48V插电式混合动力车的组合动力系统

当前针对汽车电动化的大力推行使得车用内燃机的发展每况愈下，AVL公司作为回应，从而开发了一种高效内燃机与48 V插电式动力设备的组合动力系统，通过该途径实现了一种充满前景的替代方案，不仅降低了OEM制造商车队的CO2排放，而且能使用户在市内能实现无排放的电动行驶。

1 强大的政治压力

随着汽车电动化的不断推行，使得车用内燃机的发展情况捉襟见肘，特别是在欧洲，除了基于交通运输而设定的CO2排放法规所产生强大的政治驱动力之外，同时也要求对空气品质进行显著改善。此类要求也反映了未来欧7废气排放法规的严苛程度，特别是基于真实行驶排放（RDE）边界条件，该法规的要求将超越美国超低排放车辆US-20法规的限值。

用于市内行驶的微型车辆在附着质量、结构空间需求特别是全电气化的成本等方面都受到限制，因此混合动力特别是48 V系统则具有重要意义。

2 当前的48V驱动系统

将48 V皮带传动起动机-发电机（BSG）集成到动力总成系统已显示出其独特的应用前景，其能改善内燃机废气排放的适应性以及驾驶机动性和行驶动力学性能。尽管如此，该类系统基于在皮带传动中的布置，其在电动行驶、灵活驾驶、制动行驶等方面无法提供充分的用户使用经验。除了上述限制之外，通过皮带传动的扭矩受到限制也会带来附加的技术挑战。皮带传动如需传递更大的扭矩就要求增加皮带筋条和/或提高三角筋条皮带的预紧力，由此会导致更剧烈的摩擦，从而增加燃油耗，而由此又不得不设法予以补偿。

48 V系统相对于12 V系统的燃油耗优势是基于更大的能量回收潜力，甚至在考虑到DC/DC转换器效率损失的情况下发电机仍具有良好的效率。这些限制以及在回收运行能量时内燃机并未脱开动力总成系统的实际情况，使得该系统降低CO2排放的效果逐步受限。

3 下一代48 V系统

与48 V-BSG相比，电机直接布置在动力总成系统中并且能使内燃机实现脱离的系统能更有效地降低CO2排放，因而不仅能回收更多能量，而且还能提升实现汽车电动化的可能性。

图1中示出的P2、P3和P4布置型式能够实现上述的电动出行方式，而且能获得与结构相同的高电压全混合动力系统相似的降低CO2排放的效果。

图1 P0～P4型48 V动力总成系统架构以及在WLTC试验循环中按电机尺寸回收能量曲线

混合动力降低CO2排放的技术提升潜力主要依赖于能量回收系统，因此本文的研究重点主要在改善回收能量的效率上。此处所考虑的边界条件是由车辆大小、质量、行驶阻力和行驶循环法规所决定的。系统分析（基于模拟工具AVL Cruise）表明，用于前桥横置驱动结构的P2混合动力方案能提供最高的能量回收潜力。

约20 kW的峰值功率是发电机处于运行时能量利用与系统功率之间的良好折中。鉴于结构空间需求、系统成本和模块化/可缩放性，侧置（偏置）系统提供了良好的潜力。由于偏置结构附加的传动比，能使用集成了变频器且转速高达18 000 r/min的高转速电机。电机的这种方案能被设计成一个模块，因为其同样能作为电驱动桥或作为小型电动车（例如A0级三轮摩托车）的主驱动装置。

在开发中，现有的解决方案在驱动运行时可提供约25 kW或20 kW的发电机功率。功率的差别是以系统电压为基础的。由于蓄电池内部存在阻抗，从蓄电池中获取20 kW功率会引起电压降，而将电流通至蓄电池则会相应提高电压，从而获得更高的额定功率。

4 48 V插电式混合动力车

为了能在2025年或2030年达到规定的降低CO2排放的目标，从而需不断优化车辆的摩擦损失、变速箱的换挡策略以及内燃机本身的热管理方案，但即便如此，降低全混合动力车型的CO2排放效果仍然有待提升。

从逻辑角度出发，需增加电动车所占的市场份额，借助于以VW Golf Ⅶ轿车为基础的演示车辆进行系统模拟就能体验到该目标效果。为此，将AVL公司开发的效率优化的内燃机与20 kW电动后桥以及AVL公司开发的容量为5.3 kW·h的48 V蓄电池相组合，并在真实交通中进行试验。这种优化的动力总成系统能在最高车速为50 km/h情况下以电动状态行驶20 km以上的里程（图2）。

图2 AVL演示车辆的CO2排放和架构（PHEV=插电式混合动力）

5 日常局部无废气排放

为降低废气排放（例如CO2）而开展的研究并不完全在于用户。自由进入城市的零排放区域和电动驾驶体验对其充满吸引力。对于用户而言，除了成本价格以外，其主要关注的是行李舱、净载质量、行驶功率等方面的车辆特征。为了满足系统中的相关要求，设计时需分析真实生活中的使用情况，例如需正确地开出车库、横越人行道边沿、通过坡道和更长的距离，同时需考虑的不仅是从-30～60 ℃的温度影响，而且还包括有小型车净载质量480 kg和自重1 250 kg等使用情况。

针对各类重要使用情况的广泛分析即可正确地确定要求，例如对中欧使用情况的系统综合即可得出了所需求的平均电动行驶里程为22 km，这对于市内范围行驶可充分满足要求。

对于C级车和质量为1 500 kg的车辆而言，其最大车轮功率需求约为25～30 kW，而车辆用于驱动的平均持续功率约为5 kW，用于诸如采暖/冷却装置、娱乐信息设备、汽车前大灯、刮雨器装置等辅助设施平均需要增加1～3 kW功率，因此蓄电池的总持续功率需达6～8 kW左右。图3 上图示出了用于WLTC试验循环城市部分和用于真实城市行驶的功率需求比较。

图3 WLTC城市部分和真实城市行驶以及WLTC需求的功率的比较

在考虑到从车轮直至蓄电池的传递路径时，所需的电系统功率约为30～35 kW。若维持正常运行的最低电压为34 V，在30 kW时的峰值电流则为880 A。

影响电系统成本的主要因素是电流而并非是电压，以此牵涉到选择该类48 V系统的正确与否，正如ISO 6469-3标准（道路输电安全性标准）所规定的一样，将更高的75 V高电压作为系统电压，也只能使电流减小约20%。

图3下图通过系统的综合分析表明，高功率仅需要较短时间（绝大多数为1～5 s），因此对这些功率峰值的需求相对较少。如果需持续提供8 kW的最大功率，采用直径大大幅减小的导线即可满足其要求。

真实行驶和RDE法规的要求带来了需进行附加考虑的因素，例如低温性能和使用寿命。如果考虑到对系统标准架构的相关要求，为此应作出必要的调整。

诸如大电流及其所引起的损失、高电流脉冲时的电压突破以及蓄电池的低温性能等关键性的挑战，在当前的系统架构下通常是难以解决的。由此为了将这些要求模型化，应用系统工程方法将会面临3种有趣的情形：

（1） 高功率—受限制的持续时间—大电流；

（2）低功率—长持续时间—小电流；

（3） 低温—功率不降低。

在该类系统架构中使用的48 V蓄电池具有400 W·h的能量。由此导致的限制是较高的能量损失和效率的降低（图4）。正如在系统架构中所表现的一样，该类蓄电池和能量传递途径在满足上述1和3两种要求的情况下会显示出相应弊端。

图4 12s2p和400 W·h-48 V蓄电池的功率输出和内部损失

能充分满足此类要求的蓄能器是一种双层电容器（DSK），这种技术的缺点是电压升程较大。蓄电池与双层电容器的组合对于上述任务是一种充满希望的解决途径。为了将损失降低到最低程度，有别于大多数其他方案，将电容器集成在动力模块中是较为可行的。此时，如需将其集成为一个模块，则有两种可能性：第一种可能性是应用一种简单的半导体开关将电容器连接到蓄电池电压上，从而降低成本。在该情况下一个小型DC/DC转换器即可在非主动状态下进行充电和放电。第二种可能性是预先应用一种大电流DC/DC转换器，此类转换器的设计能作为变频器而进行设计优化。

在该两种情况中，双层电容器的数量需根据功率和能量需求来决定，而非取决于电压水平，由此能实现有利于降低成本的设计。

基于分开式系统架构所应用的蓄电池在低温性能和峰值功率方面的要求较低，允许采用带有能量单元的蓄电池设计，这些能量单元在安装容量方面能达到较高的能量密度和较低的成本。

最后，应考虑电机和变频器较高的电流需求。如果将设计从3相改成6相而没有星形连接点的话，那么电流将减小一半，每3相的损失将减小到四分之一，每6相的损失就减小到一半，类似于等式P=I·R。

6 新的高功率系统架构

新的系统架构（图5上图）能满足不断提升的要求，在WLTC试验循环中根据所安装的蓄能器能使CO2排放低于65 g/km。

这种系统架构的核心部件是AVL-48 V电动桥。除了电机之外，其同时包括减速传动机构和离合器，后者在高车速时可使电机脱开动力系统。集成在电机中的变频器（图5下左图中蓝色标记）被安装在一个共用的壳体中（图5下图），并将水冷却循环回路与电机分开。

图5 基于系统合成和AVL-48V高功率电动桥的系统架构以及能量单元和6相电机的设计

48 V高功率系统由于在混合动力车（HEV）、插电式混合动力车（PHEV）和纯电动车（BEV）上存在着广阔的应用前景，因而无论是在降低CO2排放还是降低成本方面都显示出充分潜力。这种模块化组合架构能用于一个平台内或数个其他平台，其优点是：

（1）15～30 kW的可缩放电功率谱（带或不带DSK）；

（2）电缆束具有唯一的额定功率而与系统是用于HEV还是PHEV无关；

（3）蓄电池结构型式可实现功率定位或能量定位；

（4）小型混合动力车可应用1～2个电驱动装置；

（5）系统质量轻小，特别适用于小型车辆。

7 将废气排放降低到零

48 V系统能对降低有害物排放作出重大的贡献，尤其是在冷起动时。图6示出了电加热催化转化器对冷起动期间废气排放净化缺口的效果（通过涡轮前鼓入空气进行辅助）。

图6 带有附加鼓入空气的电加热催化转换器对冷起动期间废气排放净化缺口的效果

催化转化器无预热会出现废气排放净化缺口，直至催化转化器达到其转化温度。在吸入空气直至催化转化器系统的同时使用加热盘能防止废气排放净化缺口的出现。

这种预热系统的能量平衡能有效地进行转换，预热的催化转化器系统能减少或完全不需要发动机对催化转化器进行加热，因此预热消耗的能量可被补偿或甚至补偿过度。

该类电系统的临界设计情况是能富有挑战性地在-7 ℃的温度下进行冷机起步。所介绍的这种系统由于平行使用了集成的电容器和蓄电池，因此即使在该使用情况下行驶功率也会在很大程度上来自于电系统。

8 结论

48 V驱动系统正在逐步变成得以推广的技术标准，其能对降低CO2排放和废气中的其他有害物排放作出重大贡献。考虑到未来具有更高功率的48 V系统的可缩放性，特别是应用于更小型的轿车时，能使其具备更强的机动性。

新系统架构的所配备有双层电容器的48 V系统能使车辆市内行驶的电行驶机动性高达65 km/h。这种系统能大幅降低冷起动时的废气排放，此时就要使用电加热催化转化器或向废气系统中继续充入空气。