48V混合動(dòng)力現(xiàn)狀和技術(shù)路線

1、48V混合動(dòng)力現(xiàn)狀分析和技術(shù)路線2016-05-24 汽車動(dòng)力總成歐洲近幾年把48V系統(tǒng)搞的火熱，奧迪量產(chǎn)了電增壓Q7。另外，48V BISG啟停技術(shù)也將要在2020年之前在歐洲普及?，F(xiàn)在主要的幾個(gè)48V系統(tǒng)相關(guān)供應(yīng)商也都在緊密安排在其他市場(chǎng)的匹配和量產(chǎn)工作。 車叔今天要解答的就是，48V MHEV到底能給主機(jī)廠帶來(lái)什么？以后會(huì)怎么發(fā)展？里面有什么細(xì)節(jié)？下面車叔一個(gè)一個(gè)回答： （一）. 現(xiàn)狀分析（二）. 技術(shù)路線（三）. MHEV分類（四）. 技術(shù)難點(diǎn) （一）. 現(xiàn)狀分析 弱混，其實(shí)從名字上就看得出來(lái)是一

2、個(gè)向強(qiáng)混過(guò)度的技術(shù)路線。存在的意義就是非常高的“產(chǎn)出/投入”比例。在原有車輛構(gòu)架的基礎(chǔ)上，加一個(gè)48V電池（一般1度電左右）和DCDC轉(zhuǎn)換器。因?yàn)殡妷翰桓?，涉及的安全等?jí)也不需要過(guò)多的保護(hù)處理。 以前48V供應(yīng)商來(lái)宣傳的時(shí)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。現(xiàn)在隨著48V的普及，一套電池系統(tǒng)供應(yīng)多個(gè)用電器，均攤成本就下降很多了。車叔看到過(guò)一個(gè)歐洲主機(jī)廠MHEV量產(chǎn)時(shí)間表，接下來(lái)幾年內(nèi)蜂擁而至，應(yīng)對(duì)2020排放標(biāo)準(zhǔn)。而目前供應(yīng)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(jī)。由于加大了電壓，功率能

3、夠支持快速啟動(dòng)和停止發(fā)動(dòng)機(jī)。一般熱機(jī)能夠達(dá)到0.5秒左右以內(nèi)，這比我們一般綠燈起步時(shí)“踩下離合器踏板- 掛一檔- 松離合”的速度要快。而且由于啟動(dòng)速度快，不會(huì)出現(xiàn)以前那種“突突突”好幾下才能啟動(dòng)的情況，對(duì)于駕駛舒適性和nvh有很大幫助。 在車輛靜止或者滑行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的速度也會(huì)快很多，達(dá)到0.4-0.5秒以內(nèi)，比起以往的自動(dòng)停機(jī)可以快將近一倍。同時(shí)還可以回收一部分電能。 在冷啟動(dòng)時(shí)，也可以通過(guò)BISG來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，提高排氣溫度來(lái)加快暖機(jī)速度。當(dāng)然，目前的BISG很少能滿足長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)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

4、增壓其實(shí)在業(yè)界已經(jīng)研究了不少年。法雷奧購(gòu)買了CPT（Controlled Power Technologies）的乘用車（3.5噸以下車型應(yīng)用）開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)（Switched Reluctance Motor）之后當(dāng)上了電增壓的先驅(qū)者，奧迪用的就是這套系統(tǒng)。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(jī)進(jìn)入了市場(chǎng)。當(dāng)然還有通過(guò)eCVT及類似系統(tǒng)支持的Eaton和IntegralPowertrain，以及其他一些更少見的電增壓概念。車叔會(huì)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)單寫一篇，詳細(xì)分析一下搞電增壓需要掌握的技術(shù)，以及主機(jī)廠在什么時(shí)候什么條件下應(yīng)用電增壓有可能有更大優(yōu)勢(shì)）

5、0;從宏觀上理解電增壓，實(shí)際上，它是利用低壓系統(tǒng)（48V）在消耗很少電能的前提下為發(fā)動(dòng)機(jī)提供更多進(jìn)氣量。而發(fā)動(dòng)機(jī)可以用多噴油的方式，在總輸出功率上產(chǎn)生一個(gè)放大比例。電增壓消耗3-5千瓦能量的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以多輸出15千瓦甚至更多。 其實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)將額外的油氣轉(zhuǎn)化成能量的過(guò)程本身并沒(méi)有太多的效率改善。而且，現(xiàn)在的電增壓基本都是瞬態(tài)工作（幾秒鐘而已，最大工作時(shí)間根據(jù)載荷而定，具體請(qǐng)關(guān)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(lái)了很大幫助。 實(shí)際上奧迪配備了電增壓的新款柴油機(jī)低速扭矩特性也只是在瞬時(shí)能夠達(dá)到（3-5秒左右以內(nèi)），超過(guò)這個(gè)時(shí)間，低速扭矩就會(huì)下降

6、。但是車輛如果是在平路上加速的話，3-5秒后車輛已經(jīng)進(jìn)入高速，不再需要低扭。唯獨(dú)的問(wèn)題是在低速高扭，爬坡的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)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(nèi)過(guò)多次數(shù)的急加速（5-10次以上）。 總結(jié)一下電增壓能夠帶來(lái)的幫助：（1）非常直觀的，大幅改善增壓發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度。（2）雖然對(duì)變速箱的穩(wěn)態(tài)匹配不會(huì)有太大影響，但是可以允許車輛在加速時(shí)使用高一個(gè)檔位，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工況來(lái)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(yīng)速度，來(lái)更有針對(duì)性的提升發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率（往往可以提升最大功率10-15千瓦左右，同時(shí)還要對(duì)進(jìn)排氣及噴油系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化甚至再選型，繼續(xù)

7、增加功率可能會(huì)遇其他硬件的瓶頸或者犧牲經(jīng)濟(jì)性）。而通過(guò)電增壓來(lái)彌補(bǔ)低扭和響應(yīng)。（4）對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，可以克服低速大扭矩時(shí)掃氣帶來(lái)的排放和三元催化問(wèn)題。在增壓汽油機(jī)上，一般為了克服低扭爆震問(wèn)題，都需要加大重疊角和掃氣來(lái)降低缸內(nèi)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(lái)問(wèn)題。有了電增壓，就可以降低這個(gè)工作區(qū)域的排氣背壓，從而直接減少對(duì)掃氣的需求。（5）柴油機(jī)對(duì)電增壓的需求可能會(huì)更大。因?yàn)殡S著排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，多級(jí)增壓系統(tǒng)的熱慣性特點(diǎn)導(dǎo)致的冷啟動(dòng)排放問(wèn)題，使得滿足歐洲RDE和美國(guó)SULEV成了難題。用電增壓替代二級(jí)增壓里的高壓級(jí)，或者對(duì)已有增壓系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，可以使得柴油機(jī)冷啟

8、動(dòng)排放問(wèn)題大大緩解。同時(shí)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(jī)上配備電增壓的原因。（和國(guó)內(nèi)技術(shù)路線不太相關(guān)，車叔在這就不過(guò)多討論了）（二）. 技術(shù)路線 總體來(lái)說(shuō)，MHEV的BISG是你可以裝上就可以立即見到功效的（當(dāng)然還要要對(duì)皮帶，張緊機(jī)構(gòu)，48V電池和DCDC進(jìn)行設(shè)計(jì)）。一般來(lái)說(shuō)，相比單純的Start-Stop，48V BISG可以帶來(lái)5%左右的駕駛循環(huán)油耗改善（根據(jù)具體的MHEV類別）。另外，由于熄火滑行這種實(shí)際駕駛工況不出現(xiàn)在駕駛循環(huán)中，歐盟給有這樣功能的車型額外碳排放優(yōu)惠，以鼓勵(lì)RDE實(shí)際駕駛改善。 從多個(gè)主機(jī)廠和供應(yīng)商了解到

9、的數(shù)據(jù)來(lái)看，批量后的成本，也基本可以控制在600元人民幣/1%以內(nèi)（僅BISG帶來(lái)的提升，未包含發(fā)動(dòng)機(jī)附屬件。這個(gè)數(shù)字會(huì)根據(jù)具體情況有很大浮動(dòng)，僅供參考），基本符合國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠的目標(biāo)“產(chǎn)出/投入”比。所以還是非?？捎^的。 另外，從今后的混動(dòng)發(fā)展路線來(lái)看，如果是走歐洲路線，朝著P0-P4類型PHEV發(fā)展，使用傳統(tǒng)變速箱，那么BISG是一直會(huì)需要的，唯獨(dú)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(tǒng)。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(yīng)商正在研發(fā)的系統(tǒng)構(gòu)架。 圖1. 某P0+P3系統(tǒng) 這也意味著，今后發(fā)

10、動(dòng)機(jī)的功率扭矩需求會(huì)下降，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率也可能為效率讓路，因?yàn)椴辉傩枰軓V的工況區(qū)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(huì)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(duì)變速箱標(biāo)定進(jìn)行調(diào)整，如果要增大發(fā)動(dòng)機(jī)功率的話，硬件選型可能要從新匹配。另外，也許原來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)本體的響應(yīng)已經(jīng)足夠好，本來(lái)也不需要電增壓提供瞬時(shí)的扭矩支持。所以最好還是從整車的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，往發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)提出要求的時(shí)候再進(jìn)行分析，看是否需要電增壓的輔助。如果從技術(shù)路線來(lái)看的話，電增壓很可能在HV PHEV來(lái)臨之前，針對(duì)運(yùn)動(dòng)車型的細(xì)分市場(chǎng)。

11、因?yàn)槠渲饕€是起到的瞬時(shí)支持和功率放大的作用，加上HEV的發(fā)展會(huì)因?yàn)榇蠊β孰姍C(jī)降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)響應(yīng)的需求。 （三）. MHEV分類 如同混動(dòng)P0-P4的分類，MHEV也有分類。下面的1-4級(jí)的區(qū)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾十牛米的支持可以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工況區(qū)間。在高速行駛剎車時(shí)，MHEV 1也可以參與回收動(dòng)能。 1-2級(jí)不支持車輛高速滑行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速或熄火，這也是和3-4級(jí)最大區(qū)別。怠速或熄火功能要想實(shí)現(xiàn)，就需要用主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)替換掉傳統(tǒng)的機(jī)

12、械制動(dòng)系統(tǒng)。這樣，制動(dòng)力可以隨時(shí)由整車控制器根據(jù)駕駛員的制動(dòng)踏板深度進(jìn)行調(diào)控。而1-2級(jí)的動(dòng)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(shuō)，在MHEV3上，車輛滑行且發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)斷開連接。如果此時(shí)駕駛員踩下剎車踏板，整車控制器需要： （1）要求BISG啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī) - 100%制動(dòng)需求由剎車提供（2）發(fā)動(dòng)機(jī)加速，進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制模式，與車速對(duì)應(yīng) - 100%制動(dòng)需求由剎車提供（3）發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)接 - 剎車制動(dòng)減弱，總制動(dòng)需求不變，由剎車+發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦分?jǐn)偅?）BISG開始回收能量

13、 - 剎車制動(dòng)繼續(xù)減弱，總制動(dòng)需求不變，由剎車+發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦+BISG能量回收分?jǐn)?#160;因此，底盤上的制動(dòng)系統(tǒng)需要和整車控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，并進(jìn)行制動(dòng)力管理。這也是從MHEV2升級(jí)到3的最大的硬件和軟件變化。 而如果繼續(xù)升級(jí)到4，則需要對(duì)潤(rùn)滑/冷卻系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛高速滑行時(shí)可以停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 同樣，如果駕駛員在滑行時(shí)踩下加速踏板，（1）-（4）的過(guò)渡過(guò)程仍然需要發(fā)生，只是此時(shí)需要保持的是車輛的車輪端的加速扭矩穩(wěn)定性。 （四）. 技術(shù)難點(diǎn) 這些加減速過(guò)程和模式切換的平順性，實(shí)際是HEV混合動(dòng)力車型的

14、一大難點(diǎn)。比如在急加速時(shí)，車輛從電動(dòng)模式切換到混動(dòng)模式的過(guò)渡階段。 如果是渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，還需要用ECU的扭矩模型預(yù)測(cè)渦輪增壓的響應(yīng)速度，并且讓電機(jī)的輸出扭矩彌補(bǔ)渦輪的漸變響應(yīng)，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(guò)變速箱的承受極限。 而與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)接時(shí)離合片的閉合控制需要進(jìn)行精確標(biāo)定。而發(fā)動(dòng)機(jī)在加速準(zhǔn)備對(duì)接時(shí)的轉(zhuǎn)速控制也要求更快的速度。整個(gè)過(guò)程一般會(huì)在一秒鐘左右以內(nèi)完成過(guò)渡。 這實(shí)際上也說(shuō)明，混動(dòng)系統(tǒng)除了三大件的設(shè)計(jì)布局，和熱管理之外，很大的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是模式切換的控制。因?yàn)檐囕v有了兩個(gè)動(dòng)力源，相互

15、又存在著交叉影響。前期設(shè)計(jì)和選好型的硬件裝車雖然不簡(jiǎn)單，但是后期讓各個(gè)零部件協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作，也成了標(biāo)定和控制策略工程師們的挑戰(zhàn)。其中需要用到大量的Model Based Control來(lái)進(jìn)行前饋控制，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)算，保證對(duì)車輛性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。為了盡早完成整車標(biāo)定任務(wù)，往往也會(huì)需要標(biāo)定部門和整車設(shè)計(jì)及發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部門對(duì)于車輛特性進(jìn)行模擬，以便在還沒(méi)有裝車之前，就在虛擬環(huán)境和Simulink平臺(tái)下將新模塊初步設(shè)計(jì)完成，并且粗略填寫其中的標(biāo)定參數(shù)（比如一些時(shí)間常數(shù)，增益值和響應(yīng)特性等）為后期的整車臺(tái)架標(biāo)定提供一個(gè)起始點(diǎn)，提高效率。 根據(jù)混動(dòng)

16、系統(tǒng)控制策略和標(biāo)定的復(fù)雜度，新的市場(chǎng)已經(jīng)在壯大。像里卡多、AVL這樣的咨詢公司雖然無(wú)法提供三大件的生產(chǎn)供貨，但是都有非常強(qiáng)的后期標(biāo)定實(shí)力?？梢韵胂蟮?，混動(dòng)車的設(shè)計(jì)一旦上量，他們會(huì)有大量的標(biāo)定業(yè)務(wù)，甚至?xí)訂谓拥绞职l(fā)軟.標(biāo)定公司最喜歡的就是更多的自由度和復(fù)雜度，來(lái)讓他們展現(xiàn)自己的實(shí)力。同時(shí)，AVL的整車臺(tái)架銷量也許也會(huì)再創(chuàng)新高當(dāng)然，以上這些標(biāo)定和控制上的難點(diǎn)是主機(jī)廠的課題。對(duì)于供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，在電增壓控制器中建立精準(zhǔn)的溫度控制信號(hào)，用來(lái)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(huì)有多個(gè)實(shí)際溫度測(cè)量點(diǎn)。另外，BISG控制器中也會(huì)有溫度模型，對(duì)一些難以測(cè)量的位置進(jìn)行預(yù)估。這些測(cè)量和預(yù)估的溫度數(shù)據(jù)會(huì)被實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦接近或者超過(guò)臨界