48 V动力系统的效率和成本优化

作者:Dr. Wolfgang Schöffmann 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2017-08-02
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随着燃油排放法规的进一步收紧,发动机需要进行一系列的电气化来减少对能源的消耗。48 V动力系统架构相对纯混合动力系统,能在保持相对低廉成本的同时,还能达到更好的节能减排的要求,是实现未来法规节能减排要求性价比最高的方案之一。

48 V的动力系统架构

随着48 V系统的出现,使得电动机功率也可以相应地增大,我们需要对现有的混合动力系统布置方案重新进行评估。

现有的各种布置方案:P0——电动机安装在内燃机的皮带传动系统上;P1——电动机直接安装在内燃机的曲轴上;P2——电动机安装在内燃机和变速器之间,中间使用离合器耦合;P3——电动机安装在变速器中;P4——电动机安装在后驱动轴上。

现有的皮带传动起动发电机系统(P0)已经实现了直接耦合和扭力增强的功能,并且还能非常高效地支持电子增压系统。随着飞轮起动发电机(P2)的应用,进一步提供了额外的可能,如纯电动行驶一定的距离、简化传统传动带发动机的结构等。

每种电动机布置系统都有各自的优缺点,这点对于48 V系统架构将来与汽油、柴油内燃机系统布置匹配都非常重要。

研究证实,使用20 kW高能电动机的48 V动力系统可以减少CO2的排放,同时还能增强纯电动驾驶的能力和增加能量回收最重要的一种配置。

图1 C 级汽油车的混动工况

图2 不同级别整车48 V 系统能量回收

图1是C级汽油发动机型车在世界有害物测试循环(WLTC)下的混动工况。图2对比了不同48 V系统布置架构在各级别整车中能量回收的水平,包括汽油内燃机的B级、C级、E级和柴油内燃机的中型SUV。

结果显示,P0和P1的系统布置在使用大功率电动机时能量回收功率较低,而P2、P3和P4 的系统布置在同等功率电动机下能够回收更多的能量,而且从曲线的趋势判断,在48 V系统中,电动机功率越大(超过20 kW及以上),回收能效越高。

这些系统布置架构为降低排放和增加辅助功能提供了有效的解决方案,特别是在纯电驾驶滑行模式和低速停车起动阶段,结合优化使用变速器的传动比和取消传统发电机的情况下,P2的系统布置架构可以最大限度地减少发动机整合应用此系统的复杂程度。

装有起动发电机的同轴P2形式的系统布置最适合纵置发动机的安装,这是由于车身桁架为保护较大的内燃发动机,往往都留有一定的空间,从而在长度方向有一定的余量。电动机同轴布置方案的另一个好处是系统模块集成化,即一级供应商可以研发和生产系统模块,然后提供给整车厂直接装配。

对于横置发动机系统,增加长度就比较困难,造成的结果就是同轴P2系统只能应用于三缸发动机。为了尽可能地减少系统长度,平行P2布置系统方案就出现了。

平行P2布置系统的电动机既可以安装在发动机侧也可以安装在变速器侧。下一代基于P2布置系统的发动机平台,都可以使用48 V的电动机取代原先的12 V电动机,与自动、双离合或手动变速器匹配。

另一方面,下一代基于平行P2系统布置设计的电子传动系统,电动机与变速器壳体平行布置,更加有利于横置发动机的安装。这种设计思路有利于集成模块化混动传动系统的系列化设计、研发和生产。

电子化方案的评估

随着48 V系统在整车的应用,发动机和传动系统中一些传统的由纯机械驱动的零部件可以进一步实现电气化,这不仅可以挖掘现有零部件的潜力,也可以使发动机本体更有效地工作。

为了验证48 V系统对于C级整车性能的提升,我们选择四缸汽油发动机和四缸柴油发动机作为研究对象。1.6 L四缸汽油发动机以拥有先进的米勒燃烧循环的缸内直喷涡轮增压和相应机械辅助系统的发动机为参照,1.5 L四缸柴油发动机则设计成与汽油机相似、拥有最优的动力输出和动态末端转矩。

为了消除由于大传动比产生的响应延迟,两款发动机都装备了12 V的电子涡轮增压器。所有48 V总成系统的测试结果都是对比于优化的传统12 V发动机动力系统。在特定的发动机和车型条件下,对各个电气化措施指标,以及对于整车CO2排放的影响都进行了模拟仿真。电气化的方案参数包括发动机本体、空气管路和管理系统、各种车身辅助泵、空调系统、变速器、电池和其他车身辅助部件。各种参数用于计算仿真发动机本体电气化后的结果如表所示。

表 电气化系统零部件的评估

表 电气化系统零部件的评估

图3 48 V 系统及各辅助系统部件与CO2 降低的关系

由于在纯电动驾驶工况时不能提供真空制动助力,需要用电子真空泵取代机械真空泵,空调系统也需要同时在内燃机运行和关闭时同时工作。在NEDC(新欧盟车辆驾驶测试循环)和WLTC(世界有害物测试循环)中,空调压缩机与CO2是不关联的,使用电子管理系统控制进气管路。图3显示的是48 V系统汽油机能够在各种电气化后实现的CO2减少量。基于传统动力系统,48 V P2布置方案优化了发动机和相关车辆零部件集成,能够使CO2排放量在WLTC下最大减少20.5%,其中13%是使用48 V混动系统达成的,另外7.5%则由其他措施达到。在C级车中,无论汽油发动机还是柴油发动机,都可以达到类似的节能减排水平。

在降低CO2排放的同时,发动机的电气化在一定程度上也可以取消正时皮带以及对应的对燃油泵驱动,这样就可以避免动力总成系统中电动机由于离合或者齿轮和带传动产生的尺寸长度增加的问题。

48 V系统对整车CO2 的排放和费用的影响

图4 CO2 降低与附加系统成本

不同级别的车型中,48 V系统的费用增加对应CO2减排收益对比分析结果如图4所示,此系统已经综合了电子水泵、电子油泵、电子真空泵、主动调节进气格栅以及发动机热能回收等配套零部件。48 V混合动力系统的主要部件有20 kW电动机、48 V电池和直流转换器,并且在计算系统整体费用时需要考虑额外的控制器和导线。

结果显示,所有系统组合都可以使整车在预算范围内达到相关法规节能减排的要求。P0布置的48 V带传动系统适用于小型车型;P2布置系统适用于C级车型,特别是在D、E级以上车型达到最优的性价比;P0/P4布置可以提供一定的四驱驾驶能力,并且在成本上比全机械四驱系统要低。

总结和展望

本文介绍的48 V系统架构区别于昂贵的全混合动力方案,提供了一种低成本的增加能效和能量回收的系统,为传统内燃发动机和辅助系统的电气化提供了多种方案选择。

汽油机和柴油机在同一款车中能够达到类似的相对能效的提高,不过在柴油动力系统中可节省的绝对量较低。在不同级别车型中,48 V和20 kW电动机的组合可以降低CO2的排放也是不一样的,比如P2、P0/P3和P0/P4的系统布置比P0和P1的系统布置可以使CO2 的排放再减少5%,最后提高发动机效率并降低整车风阻,可进一步减少CO2 的排放。

通过48 V系统部件成本增加和对应CO2排放减少的分析表明,这套系统是实现未来法规节能减排要求性价比最高的方案之一。最后,48 V系统的应用成功与否,取决于整车厂商对于整车的整体匹配要求、考虑节能减排法规要求、相应费用、温控管理系统、空气动力系统以及NVH性能等作出最终权衡方案。 

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