48V混合動(dòng)力現(xiàn)狀分析和技術(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。現(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是一個(gè)向強(qiáng)混過度的技術(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，

2、加一個(gè) 48V 電池（一 般 1 度電左右）和 DCDC 轉(zhuǎn)換器。因?yàn)殡妷翰桓撸婕暗陌踩燃?jí)也不需要過 多的保護(hù)處理。以前 48V 供應(yīng)商來宣傳的時(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。車叔看到過一個(gè)歐洲主機(jī)廠 MHEV 量產(chǎn)時(shí)間表，接下來 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

3、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 BISG 來增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，提高排氣溫度來加快暖機(jī)速度。當(dāng)然，目前的 BISG 很少能滿足長時(shí)間持續(xù)大扭矩輸出（極限扭矩往往在50Nm 左右）。另一方面，最近火熱的電增壓其實(shí)在業(yè)界已經(jīng)研究了不少年。法雷奧購買了 CPT（Con trolled Po

4、wer Tech nologies ）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 Reluctanee 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eCVT 及類似系統(tǒng)支持的 Eat on 和 In tegralPowertrai n，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)）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

5、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)化成能量的過程本身并沒有太多的效率改善。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)），超過這個(gè)時(shí)間，低速扭矩就會(huì)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(jīng)進(jìn)入高速，不再需要

6、低扭。唯獨(dú)的問題是在低速高扭，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)過多次數(shù)的急加速（5-10 次以上）?？偨Y(jié)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(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)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）。而通過電增壓來彌

7、補(bǔ)低扭和響應(yīng)。（4） 對(duì)于汽油機(jī)來說，可以克服低速大扭矩時(shí)掃氣帶來的排放和三元催化問題。在增壓汽油機(jī)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(nèi)殘余氣體比例。但是這使得排氣 LAMBD 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(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)排放問題，使得滿足歐洲RDE 和美國 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)冷啟動(dòng)排放問題大大緩解。同時(shí)還可以提供加速瞬間的E

8、GR 降低 NOXI 勺瞬間排放。這正是奧迪 Q7 柴油機(jī)上配備電增壓的原因。（和國內(nèi)技術(shù) 路線不太相關(guān)，車叔在這就不過多討論了）（二）.技術(shù)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(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)）。一般來說，相比單純的Start-Stop ,48V BISG 可以帶來 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)商了解到的數(shù)據(jù)來看， 批量后的成本，也基本可以控

9、制在 600 元人民幣/1%以內(nèi)（僅 BISG 帶來的提升，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?P0+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。BatteryMechanical connectionEtectrical co

10、nnection圖 1.某 P0+P3 系統(tǒng)這也意味著，今后發(fā)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。SpeedStart ICESpeedTorqFinal Drivey AuxiliariesransmisThe main tiechnical elements of thfi EA211 TSI evo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

11、從新匹配。另外，也許原 來的發(fā)動(dòng)機(jī)本體的響應(yīng)已經(jīng)足夠好，本來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)路線來看的話，電增壓很可能在 HVPHEV 來臨之前，針對(duì)運(yùn)動(dòng)車型的細(xì)分市場(chǎng)。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。MHEV1髓輔助髓輔助+ +高速動(dòng)高速動(dòng)T能回收能回收MHEV2+ +

12、低速制動(dòng)時(shí)熄火低速制動(dòng)時(shí)熄火MHEV3+ +滑行怠速滑行怠速+ +制動(dòng)管理制動(dòng)管理MHEV4+滑行謔疼，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VTGturbotharq-erE1V匚tonribu*口on匚ytlg wittiE = 12.5Map-bawdcooHni maduleAPScoating350-barimjecbonACT evDcylinder deartivation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

13、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)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，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

14、分?jǐn)?，?）BISG 開始回收能量-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)傄虼?，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 MHEV 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 ）的過渡過程仍然需要發(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)這些加減速過程和模式切換的平順性，實(shí)際是HEV 混合動(dòng)力車型的一大難點(diǎn)。比如在急加速時(shí)，車輛從電動(dòng)模式切

15、換到混動(dòng)模式的過渡階段。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)過程一般會(huì)在一秒 鐘左右以內(nèi)完成過渡。這實(shí)際上也說明，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

16、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)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

17、卡多、AVL這樣的咨詢公司雖然無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。可以想象到，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)?單接到手發(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)商來說，在電增 壓控制器中建立精準(zhǔn)的溫度控制信號(hào)，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(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，一旦接近或者超過臨