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MHEV 48V混合动力的技术解析

2018-01-05 11:40 来源:互联网 编辑:Janet

欧洲近几年把48V系统搞的火热,奥迪量产了电增压Q7。另外,48V BISG启停技术也将要在2020年之前在欧洲普及。现在主要的几个48V系统相关供应商也都在紧密安排在其他市场的匹配和量产工作。

今天我们要解答的就是,48V MHEV到底能给主机厂带来什么?以后会怎么发展?里面有什么细节?下面一个个回答:

(一)现状分析

弱混,其实从名字上就看得出来是一个向强混过度的技术路线。存在的意义就是非常高的“产出/投入”比例。在原有车辆构架的基础上,加一个48V电池(一般1度电左右)和DCDC转换器。因为电压不高,涉及的安全等级也不需要过多的保护处理。

以前48V供应商来宣传的时候,一直在宣传电增压多便宜,BISG多便宜,但是都不提电池成本。现在随着48V的普及,一套电池系统供应多个用电器,均摊成本就下降很多了。车叔看到过一个欧洲主机厂MHEV量产时间表,接下来几年内蜂拥而至,应对2020排放标准。而目前供应48V BISG的厂商包括法雷奥,博世,大陆,LG等。

在MHEV中,举足轻重的就是BISG启停电机。由于加大了电压,功率能够支持快速启动和停止发动机。一般热机能够达到0.5秒左右以内,这比我们一般绿灯起步时“踩下离合器踏板- 挂一档- 松离合”的速度要快。而且由于启动速度快,不会出现以前那种“突突突”好几下才能启动的情况,对于驾驶舒适性和nvh有很大帮助。

在车辆静止或者滑行时,发动机熄火的速度也会快很多,达到0.4-0.5秒以内,比起以往的自动停机可以快将近一倍。同时还可以回收一部分电能。

在冷启动时,也可以通过BISG来增加发动机负载,提高排气温度来加快暖机速度。当然,目前的BISG很少能满足长时间持续大扭矩输出(极限扭矩往往在50Nm左右)。

另一方面,最近火热的电增压其实在业界已经研究了不少年。法雷奥购买了CPT(Controlled Power Technologies)的乘用车(3.5吨以下车型应用)交叉磁阻电机技术(Switched Reluctance Motor)之后当上了电增压的先驱者,奥迪用的就是这套系统。紧随其后的众厂商(博格华纳,霍尼韦尔,皮尔伯格,三菱重工,等等)也靠着永磁同步电机进入了市场。当然还有通过eCVT及类似系统支持的Eaton和IntegralPowertrain,以及其他一些更少见的电增压概念。车叔会结合经验单写一篇,详细分析一下搞电增压需要掌握的技术,以及主机厂在什么时候什么条件下应用电增压有可能有更大优势)

从宏观上理解电增压,实际上,它是利用低压系统(48V)在消耗很少电能的前提下为发动机提供更多进气量。而发动机可以用多喷油的方式,在总输出功率上产生一个放大比例。电增压消耗3-5千瓦能量的同时,发动机可以多输出15千瓦甚至更多。

其实发动机将额外的油气转化成能量的过程本身并没有太多的效率改善。而且,现在的电增压基本都是瞬态工作(几秒钟而已,最大工作时间根据载荷而定,具体请关注车叔之后的电增压文章)。但是,瞬间释放额外能量的能力,给整车匹配带来了很大帮助。

实际上奥迪配备了电增压的新款柴油机低速扭矩特性也只是在瞬时能够达到(3-5秒左右以内),超过这个时间,低速扭矩就会下降。但是车辆如果是在平路上加速的话,3-5秒后车辆已经进入高速,不再需要低扭。唯独的问题是在低速高扭,爬坡的时候会出现扭矩在几秒之后衰退。另外,48V电池的电量和充电能力也不足以支持一分钟内过多次数的急加速(5-10次以上)。

总结一下电增压能够带来的帮助:

(1)非常直观的,大幅改善增压发动机响应速度。

(2)虽然对变速箱的稳态匹配不会有太大影响,但是可以允许车辆在加速时使用高一个档位,优化发动机工况来降低油耗和排放。

(3)可以牺牲废气涡轮增压本身的低扭和响应速度,来更有针对性的提升发动机最大功率(往往可以提升最大功率10-15千瓦左右,同时还要对进排气及喷油系统进行优化甚至再选型,继续增加功率可能会遇其他硬件的瓶颈或者牺牲经济性)。而通过电增压来弥补低扭和响应。

(4)对于汽油机来说,可以克服低速大扭矩时扫气带来的排放和三元催化问题。在增压汽油机上,一般为了克服低扭爆震问题,都需要加大重叠角和扫气来降低缸内残余气体比例。但是这使得排气LAMBDA偏离1,给排放和三元催化带来问题。有了电增压,就可以降低这个工作区域的排气背压,从而直接减少对扫气的需求。

(5)柴油机对电增压的需求可能会更大。因为随着排放标准的升级,多级增压系统的热惯性特点导致的冷启动排放问题,使得满足欧洲RDE和美国SULEV成了难题。用电增压替代二级增压里的高压级,或者对已有增压系统进行补充,可以使得柴油机冷启动排放问题大大缓解。同时还可以提供加速瞬间的EGR降低NOX的瞬间排放。这正是奥迪Q7柴油机上配备电增压的原因。(和国内技术路线不太相关,车叔在这就不过多讨论了)

(二)技术路线

总体来说,MHEV的BISG是你可以装上就可以立即见到功效的(当然还要要对皮带,张紧机构,48V电池和DCDC进行设计)。一般来说,相比单纯的Start-Stop,48V BISG可以带来5%左右的驾驶循环油耗改善(根据具体的MHEV类别)。另外,由于熄火滑行这种实际驾驶工况不出现在驾驶循环中,欧盟给有这样功能的车型额外碳排放优惠,以鼓励RDE实际驾驶改善。

从多个主机厂和供应商了解到的数据来看,批量后的成本,也基本可以控制在600元人民币/1%以内(仅BISG带来的提升,未包含发动机附属件。这个数字会根据具体情况有很大浮动,仅供参考),基本符合国内外主机厂的目标“产出/投入”比。所以还是非常可观的。

另外,从今后的混动发展路线来看,如果是走欧洲路线,朝着P0-P4类型PHEV发展,使用传统变速箱,那么BISG是一直会需要的,唯独有变化的是BISG的尺寸重量,功率和电压。可能成为高电压P0+PX系统。其中的P0 BISG将可以起到更大的扭矩辅助和电能回收功能。比如下图是一些供应商正在研发的系统构架。

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图1.某P0+P3系统

这也意味着,今后发动机的功率扭矩需求会下降,同时,发动机的升功率也可能为效率让路,因为不再需要很广的工况区间需求。如果是要走日系行星轮路线,那么BISG可能就不再需要,而会被MG1取代。

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