P0-P4构型概述—48 V系统技术发展

文章来源:EDC电驱未来 发布时间:2020-11-02
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混动和新能源绝对算得上是近些年汽车市场中最火的名词之一,当然混动中也分各种类型,插电式混动、增程式混动、48V微混等等,其中48V微混频发出现在各式欧洲车型上,那么这种混动到底是什么原理?又能起到怎样的效果呢?

随着“双积分”政策的执行标准日益严格,如何降低车辆油耗就成为了车企亟待解决的问题,这时候混动就成了救命稻早。混动和新能源绝对算得上是近些年汽车市场中最火的名词之一,当然混动中也分各种类型,插电式混动、增程式混动、48V微混等等,其中48V微混频发出现在各式欧洲车型上,那么这种混动到底是什么原理?又能起到怎样的效果呢?

在此背景下,新能源汽车日益崛起,成为整车厂降油耗和排放的主要手段。但是对绝大多数OEM而言,新能源车从深度混合动力到纯电动、燃料电池汽车均因成本过高,而处于亏损状态。48V轻度混合动力系统因其硬件成本较低,且能实现大多数混合动力功能而逐渐获得诸多OEM青睐。

目前国外奔驰、奥迪等公司,国内长安、吉利等公司已经推出自己的48V混动车型;博世、博格华纳、麦格纳等供应商也已推出自己的48V混动乃至纯电动解决方案。在未来较长的一段时间内,48V系统将在汽车动力系统领域占据重要地位。本文将从技术角度探讨48V系统的技术应用潜力及发展前景。



 48V轻度混合动力系统概述


从成本角度看,48V系统因其在60 V的安全电压等级以下,因此无需额外的高压安全防护;另外,48V系统中电动化部件的功率及能量等级较低,其硬件成本相较于深混系统大大降低。这两方面的原因使48V系统成为极具性价比的混动解决方案。从整车混动功能及性能角度看,48V系统能实现如发动机起停、制动能量回收、行车发电、电机助力、纯电驱动(因构型而定)等绝大多数混合动力功能。

48V系统功能及性能因其动力系统构型不同而有所区别,但其基本混合动力功能与原理与如图1所示。因构型不同,48V系统在整车应用中可实现10%~18%节油率,整车降油耗成本低于500元/(0.1L/100km)。

图1 48V系统主要混合动力功能

 



48V系统构型分析

从构型角度看,48V系统与深度混合动力系统并无本质差异,根据电机在动力系统中的位置,整体上可以分为P0、P1、P2、P2.5、P3、P4、EV等方案,如图2所示。本节从各构型的特点出发探讨各方案的优缺点。P是position的意思。对于单电机的混合动力系统,根据电机相对于传统动力系统的位置,可以把单电机混动方案分为五大类,分别以P0,P1,P2,P3,P4命名。

图2 48V系统构型分类




3.1 P0构型



P0构型48V系统是目前应用最广及成本最低的48V混动方案,它是在传统发动机的输入轴并联一个BSG电机,该电机可以充当智能发电机、起动机,能够实现发动机起停、制动能量回收和发动机工作点调节等混动功能。一般而言,受限于带传动的可靠性,BSG电机的功率等级一般在10~15 kW之间。

P0构型48V系统的主要优势在于成本低廉,结构改动量小,容易实现模块化。而且,由于电机与发动机为平行轴结构,对轴向尺寸影响较小,尤其对于横置前驱车而言,搭载性非常好。同时,由于该系统结构及功能相对简单,控制开发的难度也相对较小。

P0构型的主要劣势在于,发动机与电机机械固连,二者不能脱开,因此没有纯电行驶功能。而且,由于电机在发动机输入端,在制动或滑行能量回收的过程中,回馈能量需要经过发动机的反拖才能输入到电机端,因而制动回收效率较低。另外,由于BSG电机的功率等级较低,它调节发动机工作点的能力十分有限,对节油的贡献度也就较小。考虑到以上三个方面的原因,P0构型的48V系统节油率一般只有10~12%左右。




3.2 P1构型



P1构型与P0构型功能及性能十分类似,只是电机布置在发动机的输出轴端,且一般通过齿轮连接。因此P1电机相对于P0电机的功率等级更高,一般可达到15~30 kW(根据系统功能需求及整车性能需求而定)。

图 奔驰S400 Hybrid

P1构型的48V系统在启动发动机、制动回收、发动机工作点调节等混动功能上一般比P0构型性能更佳。但是P1构型对于轴向尺寸的影响较大,这对于横置前驱车型的布置是较为不利的因素,而且在性能上也不如P2这种电机可以与发动机脱开的方案,因此在产品车上较少采用此方案。




3.3 P2构型



P2构型的48V系统是在发动机和变速箱之间增加一个48V电机,且电机与发动机之间有一个分离离合器C0。P2构型相较于P0、P1构型,最重要的区别在于电机可以与发动机脱开。这一特点给系统带来了两方面显著的优势:

(1)P2电机可以进行纯电驱动,从而覆盖发动机低功率驱动区域,即在车辆低速低功率驱动需求阶段,发动机停机,C0离合器分开,电机承担驱动任务,使系统整体驱动效率有较为明显的改善;

(2)由于发动机与电机可以脱开,在制动或滑行能量回收的过程中,发动机可以停机,去掉发动机的反拖损失,提高可回收能量,从而提升系统的能量利用效率。

图  Schaeffler new P2 hybrid module

与P0、P1构型不同的是,P2电机除了需要承担停车起停的任务外,还需要承担行车过程中启动发动机的任务。如从纯电驱动切换至发动机驱动、滑行停机后又有了较大的驱动需求等工况下,就需要P2电机进行启动发动机。此种工况下,极易产生输出扭矩的波动,影响舒适性,因此P2系统对电机扭矩和转速的瞬态控制要求较高。另外,由于P2构型中,发动机和电机同轴,对于轴向尺寸增加非常明显,适于应用在纵置后驱车型中。若应用在横置车型中,对于动力系统布置及电驱系统集成的要求极高。

图 48 volt P2 hybrid module 

从系统功能和性能的角度看,由于P2电机增加了纯电驱动功能,且制动回收功率需求更高,因此要求电机功率及电池能量也相对较高,一般P2电机的功率需求为18~25 kW之间,电池的能量需求为20 Ah左右。一般而言P2构型的48V系统节油率可达到15%左右。




3.4 P2.5构型



P2.5构型从系统功能和性能、总成需求上看与P2构型并无太大差异,二者最大的区别在于P2.5构型中电机与发动机为平行轴结构,电机集成在变速箱的某一轴上。这就使系统的轴向尺寸大为减小,同时也使横置前驱车型应用此方案的布置难度降低了很多。




3.5 P3构型



P3构型是将电机集成在变速箱的输出轴上,这带来了两个较为明显的优势:

(1)电机到车轮端的传动链更短了,可以提升纯电驱动、制动能量回收效率;

(2)在变速箱换挡过程中,电机可以进行轮端输出扭矩补偿,减小轮端扭矩波动,提升舒适性和车辆动态响应特性。

与P0、P1、P2构型不同的是,P3电机不能实现启动发动机的功能,因此P3构型一般都采用双电机,即P0+P3方案。双电机系统带来的另外一个优势是,增加了串联行驶功能,这对调节发动机工作点的能力进一步增强。

 single-speed (1+N) hybrid module for a 48 volt P3 hybridization

以P2构型为例进行对比,在电量较低且驱动功率需求也较低的时候,需要发动机进入行车充电工作模式,此时,P2构型发动机可以实现转矩解耦,即提升发动机转矩至高效区;但是串联功能可以使发动机转速、转矩与驱动需求全解耦,让发动机工作在最低燃油消耗率(BSFC)区间内,这相对于P2构型的驱动效率有了进一步提升。二者发动机工作点区别示意如图3所示。

图3 P2与P3构型工作点区别

由于采用双电机系统,P3构型的成本相对较高,而且驱动电机集成在变速箱输出轴上,对系统集成、变速箱控制要求较高。




3.5 P4构型及EV



对于前驱车而言,P4构型一般是在车辆的后轴上增加一个48V电驱动桥,该方案与P3构型较为类似,一般也采用双电机构型,即P0+P4方案。它拥有与P3构型相同的优势:制动回收及电驱动传动链短,效率高;双电机系统可以实现串联行驶功能等。另外,P4构型还具备一些额外的优势,即拓展的四驱功能,这使得该方案尤其适用于城市SUV车型。由于P4电机可以独立承担驱动后轮的任务,因此整车可以实现前驱、后驱、四驱几种不同的驱动模式,这使得整车可以实现优异的加速性能和动态特性。

 two-speed (2 + N) electric axle for a 48 volt P4 hybridization

P4构型由于需要集成在后驱动桥上,因此需要增加额外的减速器,这也使得P4方案的成本是几个构型中最高的。另外,由于单级减速器的引入,给系统带来了另外的问题:(1)电机的最高转速会限制整车的最高车速;(2)电机与车轮固连,电机长久工作在较高的转速,对整车的NVH影响较大,且电机的拖拽损失也较大,加大了汽车行驶的阻力。针对以上问题,有些供应商提供了减速器可断开的方案,即在电机与减速器之间增加一个离合器,让电机“按需工作”,即纯电驱动、联合驱动、制动回收等工况中,离合器接合,电机正常工作;发动机单独驱动等工况中,离合器断开,电机停机。这样的解决方案能够解决NVH、拖拽损失等问题,但是对离合器接合控制、电机的转速控制提出了极高的要求。总体而言,P4电后桥方案的集成难度较大。

另外,部分供应商提出了48V电机+单机减速器的纯电动方案,应用于一些低速电动车、低功率需求的专业工具车的方案。




3.6 各48V方案对比总结



综合3.1~3.5章节的探讨,将各构型方案的48V系统对比评价如表1所示。表中数据均为定性说明各方案的典型特征,节油率、电机和电池需求等参数并非代表各方案的严格指标,在实际应用中应根据具体车型进行相应匹配。



4 48V应用案例

近年来,整车厂对于48V系统的研究逐步深入,目前已经有部分搭载48V系统的整车投产上市,各整车厂及供应商也逐步发布自己未来的48V系统解决方案,有望在接下来的若干年内投产应用,本节将简单介绍典型的48V系统解决方案。




4.1 已上市48V车型案例



目前市面上应用最广的48V系统为P0构型,奥迪在48V领域领先其他厂商一步,在2018年已上市的A6、A7、A8/A8L、Q8等车型中均搭载了48V轻度混合动力系统,并且已经实现模块化。以上各车型中的48V系统均采用大陆集团制造的交流非同步电机,峰值功率12 kW,峰值扭矩60 N·m,电池采用LGC的10 Ah三元锂离子电池。图4所示为奥迪A6-48V混合动力系统总成。国外市场上,奔驰也在C200车型上搭载P0构型48V的产品。

表1 各构型48V方案对比评价

图4 奥迪A6-48V混合动力总成

图 Valeo’s 48V system MHEV

图 Bosch’s 48V system MHEV

国内市场上,长安在2016年就发布了第一款搭载P0构型48V系统的混动车型——长安逸动蓝动版,该车型动力系统配置为1.6L自然吸气发动机+5速手动变速箱,其48V电机功率为11.5 kW,扭矩为50 N·m,节油率达到10%以上。吉利在2018年发布了博瑞GE MHEV,该车同样搭载P0构型48V系统,电机功率为12 kW,扭矩为50 N·m。




4.2 供应商48V产品解决方案



除了以上已在整车上应用的48V系统外,国内外主要供应商也相继推出了各自的48V系统解决方案。

舍弗勒针对2025年的排放法规,研发了P2构型的48V系统,并在功能样车上进行了性能验证。其动力系统拓扑如图5所示。该48V系统采用了1.84 kWh电池方案,纯电行驶距离可达5 km,纯电车速可覆盖至60 km/h;它还对发动机进行了针对性的优化,采用UniAir技术,实现发动机进气门的开闭时机、气门升程均连续可调。搭载此系统的样车可以达到欧6d排放标准,并且在WLTC工况下实现15%节油率。

图5 舍弗勒P2-48V系统

格特拉克在2017年推出了其深混和48V微混共平台的7HDT300混动专用双离合变速箱,该系统为P2.5构型,如图6所示。为丰富其48V混动产品线,格特拉克还推出了6HDT200、6HMT215等P2.5构型48V系统。以上各产品的电机功率均为15 kW,扭矩从215~320 N·m不等。

图6 格特拉克P2.5构型7HDT300

麦格纳推出了P3构型的48V驱动系统,如图7所示。该系统包含一个峰值功率为25 kW,最高转速为35 000 r/min的48V电机以及一个分离离合器,高转速电机可以帮助系统在更宽广的车速范围内进行制动能量回收,提升能量利用效率。该系统在WLTC工况下可以实现18%的节油率。

图7 麦格纳P3构型48V系统

麦格纳还推出了其P4构型48V电驱动桥,如图8所示。该系统匹配峰值功率25 kW,最高转速35 000 r/min的油冷电机。极高的电机转速使其无需断开装置也不会对限制车辆最高车速,同时还可以保证车辆在全车速范围内的制动回收能力。该系统经过验证,可以在WLTC工况下实现18%的节油率。P4构型48V电驱动桥因其对整车动力性、经济性提升显著,且易于实现模块化,成为了诸多供应商的未来48V系统重点解决方案。除麦格纳外,FEV、博格华纳、法雷奥等公司均推出了各自的48V-P4混合动力解决方案,所采用的电机功率等级在20~30 kW之间。

图8 麦格纳P4构型48V电驱动桥—eRAD

除混动方案外,FEV还推出了其应用于轻型商用车上的48V纯电动系统解决方案,该系统与P4构型类似,可用于商场清洁车、小型货物运输车等领域。法雷奥还推出了应用于市区微型短途代步的48V纯电动概念车,设计指标为最高车速100 km/h,续驶里程100 km。




4.3 48V系统平台拓展



以上所介绍的48V系统技术主要是针对节能减排功能开发的,实际上,48V系统的应用范围并不局限于此。以奥迪A8L为例,其48V车型中不仅包含用于节能的48V电机和电池,还充分利用48V系统平台电功率等级更高的特点,拓展了48V主动悬架应用,如图9所示。该主动悬架可以实现自动伸缩,极大提升不平整路面上的驾驶舒适性;甚至该系统可以与雷达和摄像头系统配合,监测车辆周围危险源,在有碰撞风险时,自动调整悬架角度,将碰撞伤害降至最低。

博格华纳还推出了其48V电动涡轮产品,如图10所示。该产品配合传统的机械涡轮应用,可以极大改善涡轮迟滞,帮助发动机在更低转速发挥出峰值扭矩,提升动力性。而且相较于传统的12V电动涡轮,48V电动涡轮的响应更快,功率更高。

图9 奥迪48V主动悬架

图10 博格华纳48V电动涡轮——eBooster

另外,考虑到48V电池的可靠耐久问题及电池低温性能较差等问题,麦克斯威尔、烯晶碳能等公司拓展出了48V电池与超级电容搭配使用,让电容承担低温、高压、过载等恶劣工况下的充放电任务,电池工作在相对平稳的条件下,从而提升整车48V系统工作的稳定性、可靠性。




5 结论及启示

(1)48V系统在将来较长的一段时间内,成为各大整车厂应对日益严苛排放和能耗法规的极具性价比的解决方案。

(2)48V系统的应用从最简单的P0-BSG方案,逐步拓展到P1、P2、P2.5、P3、P4、EV等方案,应用逐渐多元化,且能满足各种级别乘用车的需求。

(3)48V系统的应用不应仅仅局限于降低排放和能耗方面,同时应充分利用48V系统电气化平台,拓展出更多应用,在安全性、舒适性、动力性等领域开发出让用户感知明显的系统功能。


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