MHEV 48V混合動力技術篇


【聲明】本文轉載自 車界動力精英圈

歐洲近幾年把48V系統搞的火熱,奧迪量產了電增壓Q7。另外,48V BISG啟停技術也將要在2020年之前在歐洲普及?,F在主要的幾個48V系統相關供應商也都在緊密安排在其他市場的匹配和量產工作。
?
車叔今天要解答的就是,48V MHEV到底能給主機廠帶來什么?以后會怎么發展?里面有什么細節?下面車叔一個一個回答:

  • (一).?現狀分析
  • (二).?技術路線
  • (三). MHEV分類
  • (四).?技術難點
(一).?現狀分析

?
弱混,其實從名字上就看得出來是一個向強混過度的技術路線。存在的意義就是非常高的“產出/投入”比例。在原有車輛構架的基礎上,加一個48V電池(一般1度電左右)和DCDC轉換器。因為電壓不高,涉及的安全等級也不需要過多的保護處理。
?
以前48V供應商來宣傳的時候,一直在宣傳電增壓多便宜,BISG多便宜,但是都不提電池成本?,F在隨著48V的普及,一套電池系統供應多個用電器,均攤成本就下降很多了。車叔看到過一個歐洲主機廠MHEV量產時間表,接下來幾年內蜂擁而至,應對2020排放標準。而目前供應48V BISG的廠商包括法雷奧,博世,大陸,LG等。
?
在MHEV中,舉足輕重的就是BISG啟停電機。由于加大了電壓,功率能夠支持快速啟動和停止發動機。一般熱機能夠達到0.5秒左右以內,這比我們一般綠燈起步時“踩下離合器踏板- 掛一檔- 松離合”的速度要快。而且由于啟動速度快,不會出現以前那種“突突突”好幾下才能啟動的情況,對于駕駛舒適性和nvh有很大幫助。
?
在車輛靜止或者滑行時,發動機熄火的速度也會快很多,達到0.4-0.5秒以內,比起以往的自動停機可以快將近一倍。同時還可以回收一部分電能。
?
在冷啟動時,也可以通過BISG來增加發動機負載,提高排氣溫度來加快暖機速度。當然,目前的BISG很少能滿足長時間持續大扭矩輸出(極限扭矩往往在50Nm左右)。
?
另一方面,最近火熱的電增壓其實在業界已經研究了不少年。法雷奧購買了CPT(Controlled Power Technologies)的乘用車(3.5噸以下車型應用)交叉磁阻電機技術(Switched Reluctance Motor)之后當上了電增壓的先驅者,奧迪用的就是這套系統。緊隨其后的眾廠商(博格華納,霍尼韋爾,皮爾伯格,三菱重工,等等)也靠著永磁同步電機進入了市場。當然還有通過eCVT及類似系統支持的Eaton和IntegralPowertrain,以及其他一些更少見的電增壓概念。車叔會結合經驗單寫一篇,詳細分析一下搞電增壓需要掌握的技術,以及主機廠在什么時候什么條件下應用電增壓有可能有更大優勢)
?
從宏觀上理解電增壓,實際上,它是利用低壓系統(48V)在消耗很少電能的前提下為發動機提供更多進氣量。而發動機可以用多噴油的方式,在總輸出功率上產生一個放大比例。電增壓消耗3-5千瓦能量的同時,發動機可以多輸出15千瓦甚至更多。
?
其實發動機將額外的油氣轉化成能量的過程本身并沒有太多的效率改善。而且,現在的電增壓基本都是瞬態工作(幾秒鐘而已,最大工作時間根據載荷而定,具體請關注車叔之后的電增壓文章)。但是,瞬間釋放額外能量的能力,給整車匹配帶來了很大幫助。
?
實際上奧迪配備了電增壓的新款柴油機低速扭矩特性也只是在瞬時能夠達到(3-5秒左右以內),超過這個時間,低速扭矩就會下降。但是車輛如果是在平路上加速的話,3-5秒后車輛已經進入高速,不再需要低扭。唯獨的問題是在低速高扭,爬坡的時候會出現扭矩在幾秒之后衰退。另外,48V電池的電量和充電能力也不足以支持一分鐘內過多次數的急加速(5-10次以上)。
?
總結一下電增壓能夠帶來的幫助:
(1)非常直觀的,大幅改善增壓發動機響應速度。
(2)雖然對變速箱的穩態匹配不會有太大影響,但是可以允許車輛在加速時使用高一個檔位,優化發動機工況來降低油耗和排放。
(3)可以犧牲廢氣渦輪增壓本身的低扭和響應速度,來更有針對性的提升發動機最大功率(往往可以提升最大功率10-15千瓦左右,同時還要對進排氣及噴油系統進行優化甚至再選型,繼續增加功率可能會遇其他硬件的瓶頸或者犧牲經濟性)。而通過電增壓來彌補低扭和響應。
(4)對于汽油機來說,可以克服低速大扭矩時掃氣帶來的排放和三元催化問題。在增壓汽油機上,一般為了克服低扭爆震問題,都需要加大重疊角和掃氣來降低缸內殘余氣體比例。但是這使得排氣LAMBDA偏離1,給排放和三元催化帶來問題。有了電增壓,就可以降低這個工作區域的排氣背壓,從而直接減少對掃氣的需求。
(5)柴油機對電增壓的需求可能會更大。因為隨著排放標準的升級,多級增壓系統的熱慣性特點導致的冷啟動排放問題,使得滿足歐洲RDE和美國SULEV成了難題。用電增壓替代二級增壓里的高壓級,或者對已有增壓系統進行補充,可以使得柴油機冷啟動排放問題大大緩解。同時還可以提供加速瞬間的EGR降低NOX的瞬間排放。這正是奧迪Q7柴油機上配備電增壓的原因。(和國內技術路線不太相關,車叔在這就不過多討論了)

(二).?技術路線

?
總體來說,MHEV的BISG是你可以裝上就可以立即見到功效的(當然還要要對皮帶,張緊機構,48V電池和DCDC進行設計)。一般來說,相比單純的Start-Stop,48V BISG可以帶來5%左右的駕駛循環油耗改善(根據具體的MHEV類別)。另外,由于熄火滑行這種實際駕駛工況不出現在駕駛循環中,歐盟給有這樣功能的車型額外碳排放優惠,以鼓勵RDE實際駕駛改善。
?
從多個主機廠和供應商了解到的數據來看,批量后的成本,也基本可以控制在600元人民幣/1%以內(僅BISG帶來的提升,未包含發動機附屬件。這個數字會根據具體情況有很大浮動,僅供參考),基本符合國內外主機廠的目標“產出/投入”比。所以還是非??捎^的。
?
另外,從今后的混動發展路線來看,如果是走歐洲路線,朝著P0-P4類型PHEV發展,使用傳統變速箱,那么BISG是一直會需要的,唯獨有變化的是BISG的尺寸重量,功率和電壓??赡艹蔀楦唠妷篜0+PX系統。其中的P0 BISG將可以起到更大的扭矩輔助和電能回收功能。比如下圖是一些供應商正在研發的系統構架。
?

?
這也意味著,今后發動機的功率扭矩需求會下降,同時,發動機的升功率也可能為效率讓路,因為不再需要很廣的工況區間需求(具體見車叔前一篇分析)。如果是要走日系行星輪路線,那么BISG可能就不再需要,而會被MG1取代。
?

?
另一方面,48V電增壓就不是你裝上就能立馬顯神功的了。除了對變速箱標定進行調整,如果要增大發動機功率的話,硬件選型可能要從新匹配。另外,也許原來的發動機本體的響應已經足夠好,本來也不需要電增壓提供瞬時的扭矩支持。所以最好還是從整車的設計需求出發,往發動機子系統提出要求的時候再進行分析,看是否需要電增壓的輔助。如果從技術路線來看的話,電增壓很可能在HV PHEV來臨之前,針對運動車型的細分市場。因為其主要還是起到的瞬時支持和功率放大的作用,加上HEV的發展會因為大功率電機降低對發動機瞬時響應的需求。

(三). MHEV分類

?
如同混動P0-P4的分類,MHEV也有分類。下面的1-4級的區分是基于Start-Stop之上的。
?

?
圖2. MHEV分類
?
相比單純的Start-Stop,MHEV 1增加了扭矩輔助功能,對發動機的幾十牛米的支持可以優化發動機的工況區間。在高速行駛剎車時,MHEV 1也可以參與回收動能。
?
1-2級不支持車輛高速滑行時發動機怠速或熄火,這也是和3-4級最大區別。怠速或熄火功能要想實現,就需要用主動制動系統替換掉傳統的機械制動系統。這樣,制動力可以隨時由整車控制器根據駕駛員的制動踏板深度進行調控。而1-2級的動力回收基本可以理解為粗糙控制型,在不影響駕駛感受的前提下,能回收多少是多少。
?
比如說,在MHEV3上,車輛滑行且發動機怠速時,發動機與傳動系統斷開連接。如果此時駕駛員踩下剎車踏板,整車控制器需要:
?
(1)要求BISG啟動發動機?– 100%制動需求由剎車提供
(2)發動機加速,進入轉速控制模式,與車速對應?– 100%制動需求由剎車提供
(3)發動機與傳動系統對接?–?剎車制動減弱,總制動需求不變,由剎車+發動機摩擦分攤,
(4)BISG開始回收能量?–?剎車制動繼續減弱,總制動需求不變,由剎車+發動機摩擦+BISG能量回收分攤
?
因此,底盤上的制動系統需要和整車控制器進行實時數據傳輸,并進行制動力管理。這也是從MHEV2升級到3的最大的硬件和軟件變化。
?
而如果繼續升級到4,則需要對潤滑/冷卻系統進行單獨的電機驅動,保證發動機在車輛高速滑行時可以停止運轉。
?
同樣,如果駕駛員在滑行時踩下加速踏板,(1)-(4)的過渡過程仍然需要發生,只是此時需要保持的是車輛的車輪端的加速扭矩穩定性。

(四).?技術難點

?
這些加減速過程和模式切換的平順性,實際是HEV混合動力車型的一大難點。比如在急加速時,車輛從電動模式切換到混動模式的過渡階段。
?
如果是渦輪增壓發動機,還需要用ECU的扭矩模型預測渦輪增壓的響應速度,并且讓電機的輸出扭矩彌補渦輪的漸變響應,保證整體的扭矩輸出與駕駛員的需求一致。另外,整車控制器還需要保證瞬間總輸出扭矩不超過變速箱的承受極限。
?
而與此同時,發動機與傳動系統對接時離合片的閉合控制需要進行精確標定。而發動機在加速準備對接時的轉速控制也要求更快的速度。整個過程一般會在一秒鐘左右以內完成過渡。
?
這實際上也說明,混動系統除了三大件的設計布局,和熱管理之外,很大的一個技術難點就是模式切換的控制。因為車輛有了兩個動力源,相互又存在著交叉影響。前期設計和選好型的硬件裝車雖然不簡單,但是后期讓各個零部件協調統一工作,也成了標定和控制策略工程師們的挑戰。

其中需要用到大量的Model Based Control來進行前饋控制,因此,發動機ECU和整車控制器中也需要有更大量的新功能模塊和模擬運算,保證對車輛性能的準確預測。為了盡早完成整車標定任務,往往也會需要標定部門和整車設計及發動機設計部門對于車輛特性進行模擬,以便在還沒有裝車之前,就在虛擬環境和Simulink平臺下將新模塊初步設計完成,并且粗略填寫其中的標定參數(比如一些時間常數,增益值和響應特性等)為后期的整車臺架標定提供一個起始點,提高效率。
?
根據混動系統控制策略和標定的復雜度,新的市場已經在壯大。像AVL,里卡多這樣的咨詢公司雖然無法提供三大件的生產供貨,但是都有非常強的后期標定實力??梢韵胂蟮?,混動車的設計一旦上量,他們會有大量的標定業務,甚至會接單接到手發軟……標定公司最喜歡的就是更多的自由度和復雜度,來讓他們展現自己的實力。同時,AVL的整車臺架銷量也許也會再創新高……

當然,以上這些標定和控制上的難點是主機廠的課題。對于供應商來說,在電增壓控制器中建立精準的溫度控制信號,用來反饋給整車控制器,這也是很大的難題。

在BISG硬件上,一般都會有多個實際溫度測量點。另外,BISG控制器中也會有溫度模型,對一些難以測量的位置進行預估。這些測量和預估的溫度數據會被實時監控,一旦接近或者超過臨界值,控制器會自動降低BISG載荷,并且向整車控制器發送信號。供應商為了確保自己設定的臨界值合適,往往會做大量不同循環Duty Cycle的實驗,以確認耐久性。

同時,整車控制器也還需要實時和電池熱管理系統和能量管理系統進行溝通,保證電池的SOC,效率和功率。一般在MHEV上也基本會保留原有的12V 啟動機。這樣在極低溫度的情況下,鋰電池無法充放電時,車輛仍然可以正常啟動和運轉。
來源:歐洲汽車那些事,唐華寅博士,曾參與1.0T及2.0T發動機硬件選型與ECU控制策略,現于捷豹路虎技術中心從事動力總成開發。

【原文地址】MHEV 48V混合動力技術篇

.

河北優控新能源科技有限公司版權聲明:

本公司網站轉載作品均注明出處,本網未注明出處和轉載的,是出于傳遞更多信息之目的,并不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性。如轉載作品侵犯作者署名權,或有其他諸如版權、肖像權、知識產權等方面的傷害,并非本網故意為之,在接到相關權利人通知后將立即加以更正。