48V混合动力系统先进在哪儿?从应用角度分析电增压技术发展前景

盖世汽车 综合报道

捷豹路虎动力总成开发工程师唐华寅博士以”48V混合动力系统—从应用角度分析电增压技术的发展和前景“为主题,针对市场概况、技术路线、应用分析、对动力总成的影响、发展展望等话题进行分享和交流。

捷豹路虎唐华寅:48V混动—分析电增压技术发展

以下是整理出的重点内容:

捷豹路虎唐华寅:48V混动—分析电增压技术发展

首先感谢盖世汽车搭建了一个平台供给我们交流。

群里各位都是经验丰富的专家,今天与其说是讲座不如说是交流。以48V混合动力系统讲起,抛砖引玉,后续交流内容一定会更加丰富。

今天的分享只代表个人的观点,不代表捷豹路虎或者任何公司。

通过语音的方式和大家多分享资料和信息,图片有限,为了避免泄露相关信息,使用的图片均是从公开场合所能够获取到的。

捷豹路虎唐华寅:48V混动—分析电增压技术发展

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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电增压的内容比较多,涉及到48V混合动力的系统,整体比较复杂,谢谢各位的参与,再次感谢盖世汽车安排和组织这次的活动。

微课堂听众现场提问:

如何看待p0 和p1 ,p2 和p3区别?

唐华寅博士答:

实际上电机位置的选择首先影响的是对电机转速和功率的需求。比如放在前端,bsg的转速会比较高,功率提升较易。如果放在电机和变速箱中间,转速则会和发动机相同。简单的说,P1整体集成的难度和成本会更高,而P0则可以在现成的动力总成布局中做直接的修改,并且直接采购BSG零件。当然,皮带传递扭矩会有种种困难需要克服,并且牺牲一些性能。因此,随着整体动力总成的迭代,在已有动力总成上简单修改的优势逐渐降低,我们可能会慢慢看到一些P1出现。P2和p3 一个是在变速箱前,一个在后,P2在档位选择和启动方面会有一定优势。当下主要是p0 和p2应用较多。

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