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AVL開發市內零排放48V插電式混合動力車的組合動力系統

放大字體??縮小字體 發布日期:2020-01-16 18:02:29 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:5849
核心提示:2020年01月16日關于AVL開發市內零排放48V插電式混合動力車的組合動力系統的最新消息:當前針對汽車電動化的大力推行使得車用內燃機的發展每況愈下,AVL公司作為回應,從而開發了一種高效內燃機與48 V插電式動力設備的組合動力系統,通過該途徑實現了一種充滿前景的替代方案
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當前針對汽車電動化的大力推行使得車用內燃機的發展每況愈下,AVL公司作為回應,從而開發了一種高效內燃機與48 V插電式動力設備的組合動力系統,通過該途徑實現了一種充滿前景的替代方案,不僅降低了OEM制造商車隊的CO2排放,而且能使用戶在市內能實現無排放的電動行駛。

1 強大的政治壓力

隨著汽車電動化的不斷推行,使得車用內燃機的發展情況捉襟見肘,特別是在歐洲,除了基于交通運輸而設定的CO2排放法規所產生強大的政治驅動力之外,同時也要求對空氣品質進行顯著改善。此類要求也反映了未來歐7廢氣排放法規的嚴苛程度,特別是基于真實行駛排放(RDE)邊界條件,該法規的要求將超越美國超低排放車輛US-20法規的限值。

用于市內行駛的微型車輛在附著質量、結構空間需求特別是全電氣化的成本等方面都受到限制,因此混合動力特別是48 V系統則具有重要意義。

2 當前的48V驅動系統

將48 V皮帶傳動起動機-發電機(BSG)集成到動力總成系統已顯示出其獨特的應用前景,其能改善內燃機廢氣排放的適應性以及駕駛機動性和行駛動力學性能。盡管如此,該類系統基于在皮帶傳動中的布置,其在電動行駛、靈活駕駛、制動行駛等方面無法提供充分的用戶使用經驗。除了上述限制之外,通過皮帶傳動的扭矩受到限制也會帶來附加的技術挑戰。皮帶傳動如需傳遞更大的扭矩就要求增加皮帶筋條和/或提高三角筋條皮帶的預緊力,由此會導致更劇烈的摩擦,從而增加燃油耗,而由此又不得不設法予以補償。

48 V系統相對于12 V系統的燃油耗優勢是基于更大的能量回收潛力,甚至在考慮到DC/DC轉換器效率損失的情況下發電機仍具有良好的效率。這些限制以及在回收運行能量時內燃機并未脫開動力總成系統的實際情況,使得該系統降低CO2排放的效果逐步受限。

3 下一代48 V系統

與48 V-BSG相比,電機直接布置在動力總成系統中并且能使內燃機實現脫離的系統能更有效地降低CO2排放,因而不僅能回收更多能量,而且還能提升實現汽車電動化的可能性。

圖1中示出的P2、P3和P4布置型式能夠實現上述的電動出行方式,而且能獲得與結構相同的高電壓全混合動力系統相似的降低CO2排放的效果。

圖1 P0~P4型48 V動力總成系統架構以及在WLTC試驗循環中按電機尺寸回收能量曲線

圖1 P0~P4型48 V動力總成系統架構以及在WLTC試驗循環中按電機尺寸回收能量曲線

混合動力降低CO2排放的技術提升潛力主要依賴于能量回收系統,因此本文的研究重點主要在改善回收能量的效率上。此處所考慮的邊界條件是由車輛大小、質量、行駛阻力和行駛循環法規所決定的。系統分析(基于模擬工具AVL Cruise)表明,用于前橋橫置驅動結構的P2混合動力方案能提供最高的能量回收潛力。

約20 kW的峰值功率是發電機處于運行時能量利用與系統功率之間的良好折中。鑒于結構空間需求、系統成本和模塊化/可縮放性,側置(偏置)系統提供了良好的潛力。由于偏置結構附加的傳動比,能使用集成了變頻器且轉速高達18 000 r/min的高轉速電機。電機的這種方案能被設計成一個模塊,因為其同樣能作為電驅動橋或作為小型電動車(例如A0級三輪摩托車)的主驅動裝置。

在開發中,現有的解決方案在驅動運行時可提供約25 kW或20 kW的發電機功率。功率的差別是以系統電壓為基礎的。由于蓄電池內部存在阻抗,從蓄電池中獲取20 kW功率會引起電壓降,而將電流通至蓄電池則會相應提高電壓,從而獲得更高的額定功率。

4 48 V插電式混合動力車

為了能在2025年或2030年達到規定的降低CO2排放的目標,從而需不斷優化車輛的摩擦損失、變速箱的換擋策略以及內燃機本身的熱管理方案,但即便如此,降低全混合動力車型的CO2排放效果仍然有待提升。

從邏輯角度出發,需增加電動車所占的市場份額,借助于以VW Golf Ⅶ轎車為基礎的演示車輛進行系統模擬就能體驗到該目標效果。為此,將AVL公司開發的效率優化的內燃機與20 kW電動后橋以及AVL公司開發的容量為5.3 kW·h的48 V蓄電池相組合,并在真實交通中進行試驗。這種優化的動力總成系統能在最高車速為50 km/h情況下以電動狀態行駛20 km以上的里程(圖2)。

圖2 AVL演示車輛的CO2排放和架構(PHEV=插電式混合動力)

圖2 AVL演示車輛的CO2排放和架構(PHEV=插電式混合動力)

5 日常局部無廢氣排放

為降低廢氣排放(例如CO2)而開展的研究并不完全在于用戶。自由進入城市的零排放區域和電動駕駛體驗對其充滿吸引力。對于用戶而言,除了成本價格以外,其主要關注的是行李艙、凈載質量、行駛功率等方面的車輛特征。為了滿足系統中的相關要求,設計時需分析真實生活中的使用情況,例如需正確地開出車庫、橫越人行道邊沿、通過坡道和更長的距離,同時需考慮的不僅是從-30~60 ℃的溫度影響,而且還包括有小型車凈載質量480 kg和自重1 250 kg等使用情況。

針對各類重要使用情況的廣泛分析即可正確地確定要求,例如對中歐使用情況的系統綜合即可得出了所需求的平均電動行駛里程為22 km,這對于市內范圍行駛可充分滿足要求。

對于C級車和質量為1 500 kg的車輛而言,其最大車輪功率需求約為25~30 kW,而車輛用于驅動的平均持續功率約為5 kW,用于諸如采暖/冷卻裝置、娛樂信息設備、汽車前大燈、刮雨器裝置等輔助設施平均需要增加1~3 kW功率,因此蓄電池的總持續功率需達6~8 kW左右。圖3 上圖示出了用于WLTC試驗循環城市部分和用于真實城市行駛的功率需求比較。

圖3 WLTC城市部分和真實城市行駛以及WLTC需求的功率的比較

圖3 WLTC城市部分和真實城市行駛以及WLTC需求的功率的比較

在考慮到從車輪直至蓄電池的傳遞路徑時,所需的電系統功率約為30~35 kW。若維持正常運行的最低電壓為34 V,在30 kW時的峰值電流則為880 A。

影響電系統成本的主要因素是電流而并非是電壓,以此牽涉到選擇該類48 V系統的正確與否,正如ISO 6469-3標準(道路輸電安全性標準)所規定的一樣,將更高的75 V高電壓作為系統電壓,也只能使電流減小約20%。

圖3下圖通過系統的綜合分析表明,高功率僅需要較短時間(絕大多數為1~5 s),因此對這些功率峰值的需求相對較少。如果需持續提供8 kW的最大功率,采用直徑大大幅減小的導線即可滿足其要求。

真實行駛和RDE法規的要求帶來了需進行附加考慮的因素,例如低溫性能和使用壽命。如果考慮到對系統標準架構的相關要求,為此應作出必要的調整。

諸如大電流及其所引起的損失、高電流脈沖時的電壓突破以及蓄電池的低溫性能等關鍵性的挑戰,在當前的系統架構下通常是難以解決的。由此為了將這些要求模型化,應用系統工程方法將會面臨3種有趣的情形:

(1) 高功率—受限制的持續時間—大電流;

(2)低功率—長持續時間—小電流;

(3) 低溫—功率不降低。

在該類系統架構中使用的48 V蓄電池具有400 W·h的能量。由此導致的限制是較高的能量損失和效率的降低(圖4)。正如在系統架構中所表現的一樣,該類蓄電池和能量傳遞途徑在滿足上述1和3兩種要求的情況下會顯示出相應弊端。

圖4 12s2p和400 W·h-48 V蓄電池的功率輸出和內部損失

圖4 12s2p和400 W·h-48 V蓄電池的功率輸出和內部損失

能充分滿足此類要求的蓄能器是一種雙層電容器(DSK),這種技術的缺點是電壓升程較大。蓄電池與雙層電容器的組合對于上述任務是一種充滿希望的解決途徑。為了將損失降低到最低程度,有別于大多數其他方案,將電容器集成在動力模塊中是較為可行的。此時,如需將其集成為一個模塊,則有兩種可能性:第一種可能性是應用一種簡單的半導體開關將電容器連接到蓄電池電壓上,從而降低成本。在該情況下一個小型DC/DC轉換器即可在非主動狀態下進行充電和放電。第二種可能性是預先應用一種大電流DC/DC轉換器,此類轉換器的設計能作為變頻器而進行設計優化。

在該兩種情況中,雙層電容器的數量需根據功率和能量需求來決定,而非取決于電壓水平,由此能實現有利于降低成本的設計。

基于分開式系統架構所應用的蓄電池在低溫性能和峰值功率方面的要求較低,允許采用帶有能量單元的蓄電池設計,這些能量單元在安裝容量方面能達到較高的能量密度和較低的成本。

最后,應考慮電機和變頻器較高的電流需求。如果將設計從3相改成6相而沒有星形連接點的話,那么電流將減小一半,每3相的損失將減小到四分之一,每6相的損失就減小到一半,類似于等式P=I·R。

6 新的高功率系統架構

新的系統架構(圖5上圖)能滿足不斷提升的要求,在WLTC試驗循環中根據所安裝的蓄能器能使CO2排放低于65 g/km。

這種系統架構的核心部件是AVL-48 V電動橋。除了電機之外,其同時包括減速傳動機構和離合器,后者在高車速時可使電機脫開動力系統。集成在電機中的變頻器(圖5下左圖中藍色標記)被安裝在一個共用的殼體中(圖5下圖),并將水冷卻循環回路與電機分開。

圖5 基于系統合成和AVL-48V高功率電動橋的系統架構以及能量單元和6相電機的設計

圖5 基于系統合成和AVL-48V高功率電動橋的系統架構以及能量單元和6相電機的設計

48 V高功率系統由于在混合動力車(HEV)、插電式混合動力車(PHEV)和純電動車(BEV)上存在著廣闊的

編輯:魯迪

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關鍵詞: 混合動力 系統 功率 排放


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