大陆电子-48伏高功率电驱动系统

摘要

基于上述需求，大陆开发了一款“48V 高功率”电驱动系统，峰值功率为 30 kW，效率大于90％。只有达到如此高的效率，才将集成如此大功率的电机到低成本的混动模组成为可能。这 款“48V 高功率”电驱动系统的使用，可以在市区工况驾驶中实现以下纯电动功能：驻车、纯电滑行和跟车。其紧凑的设计和极高的功率密度可灵活地集成到各种混合架构中：混动模块（P2）、变速箱（P2.5，P3）以及可以实现四驱性能电驱动轴（P4）。除此之外，此款电机还可以应用于商用车或非道路车辆。

• 定子采用I-Pin绕组技术的永磁同步电机（PSM）（大陆专利）。与感应电机（交流异步电机）相比，其能够达到20,000rpm 的最大转速。升扭矩和功率密度越高，电动机的效率也越高，使用的电流越小（因为不需要励磁电流），温度更低，加速时间更短。

• 集成式PCB技术，6相逆变器，每相最多包含3个MOSFET（大陆专利），尽管需要控制很大的相电流，但仍能实现紧凑的逆变器设计。逆变器PCB技术可确保高功率密度（25kW，0.79L/1.51kg）。

在冷却方面，逆变器和电机采用顺序冷却方式：逆变器和电机通过水套进行水冷。性能：第一批电机和逆变器样件开发已于 2017 年中期完成。在电驱动试验台上测量了第一个电机和逆变器的样件的性能，冷却水温度低于 85°C，水冷流量为 3L/min（图 4）。效率高达90％（例如在电机模式下 14.5Nm，10kW，36V，6600rpm）。

图 4 高功率电机样件的功率、扭矩曲线，实心点为实测工况

除了燃油效率和纯电动驾驶功能之外，“电助力”是混动车众所周知的特征 -- 尽管此功能在现有的 48 V 轻度混合动力系统上难以被察觉到。现在 48V 高功率电驱动系统的高峰值扭矩，显 著改善了发动机的低端扭矩特性，驾驶员会感受到明显的动力提升，如图 5 所示。在 P2 构架中， 电机通过减速比 2.7 的轮系与动力系统相联。明显地，车辆动态响应能力获得了提高，能够更好地应对各种交通状况。这种特性的提高对高增压的汽油发动机尤其明显。

图 5 P2 架构下的发动机和 BSG 扭矩耦合曲线（假定电驱动的最大峰值扭矩）

接下来的工作是在整车上集成并评估“48V 高功率”电驱动系统在真实驾驶中的性能。选择重用大陆之前开发的 P2 混动架构作为测试平台[5] [6]，再将新的'48V 高功率'电驱动系统取代上一代 48V 电机。48V 锂电池也被重新匹配，新电池电量为 6.5 千瓦时，同时增强了最大充放电能力。

图 6 48V P2 全混动汽车系统结构

在 P2 混动架构中，电机和 K0 离合器被安装在发动机和变速器之间（图 6）。因此就消除了在某些混动状态下的发动机的反拖损失，例如“制动能量回收”，“滑行”，和“纯电动驱动”等工况。发动机采用福特高效 1.0L EcoBoost 三缸汽油发动机。它匹配有 RAAX®涡轮增压器[1]，200bar 燃油直喷系统，电加热催化剂（Continental EMICAT®）和发动机电控单元（ECU）。大陆 RAAX®的涡轮增压器具有低转动惯性特性，即使在发动机低转速工况下，也能快速增压并保持高增压压力。

根据 P2 混合动力车辆的要求，当发动机停机后，小型电子水泵会继续工作，为电机持续运转提供冷却水。

另一个关键子系统是“混动控制策略”，此系统集成于发动机控制单元。它以模型化的方式，控制整个混合动力系统。

如图 6 所示，车辆可以运行在所有混动模式下。特别是，可以纯电动行驶，可用于电蠕动和起 步以及保持恒定车速高达 80 km/h（电滑行）。

在2019年7月的大陆技术展上（德国），大陆集团动力总成向外界进行了展示搭载了48V高功率电驱动系统的系统验证车。在对车辆进行真正的测试之前，大陆使用其动力总成仿真系统 --车辆仿真套件（VSS）来评估匹配48V大功率电驱动系统的车辆性能。

图 7 2019 年大陆技术展出的系统验证车

通过采用模型在环的方法，将控制模型和被控对象模型结合进行联合仿真。在仿真环境中，完整的工具链包括各种动力总成架构、组件库、自动化仿真功能和分析功能。并且将仿真结果与实际实验结果进行对比，以确保仿真结果的准确度。

在 WLTC 循环中节油效果：使用第一代 48V 电机（14kW 峰值功率）的 P2 轻混系统验证车，在 WLTP 循环中油耗降低了 15％[7]。通过用新的“48V 高功率”电驱动系统取代第一代 48V 电机，仿真结果显示在相同条件下油耗可降低 19％（图 8）。

这个结果与当前高压全混动汽车的节油水平相当，证明了 48V 技术巨大的节油潜力。

图 8 P2 全混动车 WLTP 循环的节油效果

市区工况是降低油耗的重点：由于“48V 大功率”电驱动系统的高效率，当车辆在城市地区行驶时，节油甚至可能更加明显。为了证明这一点，在德国巴伐利亚州雷根斯堡市周边社会道路定义了一个符合 RDE 边界条件、总长为 33km 的真实的市区路线（图 9）。

图 9 真实市区路线（符合 RDE 边界条件）

在这个实际驾驶城市循环中，模拟结果显示平均整车油耗为 3.9L/100km，比 WLTP 的公告值 低 14％。显而易见，高功率、高效率的 48V 混动系统非常适合城市工况的驾驶。

纯电行驶：仿真显示在 WLTP 测试中，48V P2 试验车在循环开始后的 12.75 分，发动机点火起动，这意味着“全电动里程”（AER，欧盟型式认证标准 2017/1151）为 4.7 km（假设没有电池容量限制）。实际上，在 WLTC 循环中的大部分（94％）的时间，车辆可以在不使用发动机的情况下按照循环要求的速度行驶。

根据“等效全电动里程”（EAER）的定义，折算的等效全电行驶里程为 34km，电池的可用净容量为 5.3kWh。这些结果显示，在 P2 配置中使用“48V 高功率”电驱动系统可极大地扩展纯电驱动能力，这在城市行驶工况中尤其重要，同时对终端客户也具有很大的吸引力。

图 10 P2 全混动车在 WLTP 测试中的电驱动性能

RDE 和未来的排放法规对排放控制系统的要求越来越复杂。特别是在混合动力汽车中，排放和油耗之间的平衡只能通过系统功能来解决。两种混动系统的基本形式需要不同的排放控制策略：

NOVC-HEV（不可外接充电式混合动力汽车）由于没有外界充电功能，电池电量在整个行程中在一个可控范围内波动。因此，尽管使用 48V 高功率电驱系统增加了纯电行驶里程，减少了发动机的使用，而且随着时间和行驶距离的增加，不确定性也随之增大，但是排出的尾气还足以保证催化器温度在起燃点以上。

对于 OVC-HEV（可外接充电式混合动力汽车）车辆，只有在电量保持模式（ChargeSustaining Mode）下才会起动发动机，催化器被加热。这是因为在电量保持模式下，电池电量过低，不能维持纯电行驶的要求。

但是 OVC-HEV 更倾向于使用电量消耗模式（Charge Depleting Mode）下的电驱动控制，而不是电量保持模式。使用 48V 高功率驱动系统和更大的电池，通过有规律的充电，纯电行驶里程基本可以满足日常出行需要。由于发动机间歇性起动，排气的热量不能满足催化器加热的需要，所以在电量消耗模式下需要不同的催化器起燃策略。如图 11 中所展示，OVC-HEV 在电量消耗模式下的热力学边界条件变得非常具有挑战性。

图 11 P2 全混动汽车排气温度特性（电量消耗模式）

这个测试显示了在不同环境温度下（23°C / 0°C），混动车处于电量消耗模式，两次独立的连续 WLTC 实验所展示的不同的排气温度特性。

在整个测试期间冷却水没有流动，在第一个测试循环的高速阶段之后的第二个城市循环期间，发动机的工作温度变化也未超过 20℃。

由于混动策略的优化，在整个测试循环中发动机很少起动，从而导致紧耦合催化剂之前的排气温度通常达不到催化器的起燃温度。所以需要额外的加热措施来激活排气后处理系统。带有两个电加热盘的电加热催化器（Continental EMICAT®）最大限度地缩短了催化器起燃的时间。通过两个 4kW 加热盘对催化剂进行加热，温升曲线如图 12 所示。

图 12 电量消耗模式下双加热片电加热催化器温升曲线

在发动机运行 15 秒后，催化剂中心温度升至 250℃以上。图 13 显示了在 23℃环境温度发动机的非甲烷碳氢（NMHC）排放特性。三种不同的混动控制策略显示 NMHC 浓度和质量排放量与实际驱动距离和时间关系。

图 13 WLTC 循环中 NMHC 在不同 48V 混动控制模式下的排放特性

从排放曲线看出，安装了电加热催化器（EMICAT®，2 x 4kW）的 48V 混合动力汽车排放超 过欧 6d 限值 50％以上。在行驶之前不需要对催化器预加热。催化器加热所需的电能低于60Wh，且不需要任何辅助燃烧和加热措施。

在没有任何加热措施的情况下， 48V 大功率混合动力车排放超过限制两倍以上（蓝色曲 线）。很明显，加热策略是必要的，但应尽可能保持油耗不变。

对于 48V 高功率混动系统，从能量消耗和油耗角度看，自驾驶循环的第一秒就开始对催化器进行加热明显不太合适。当驾驶员对功率/扭矩的需求超出电驱动系统的能力时，需要立即起动发动机而无需对催化器进行预加热。

当发动机起动完成，同步对两个加热盘开始加热，排气 NMHC 显着降低。在发动机第一次起动过程中，大约 150Wh 的能量被用于加热，以满足 NMHC 的排放限值。

在 23°C 环境温度下，WLTC 循环中产生的氮氧化物，随时间和实际行驶距离的（NOx）排放特性，如图 14 所示。

图 14 WLTC 循环中不同 48V 混合模式下氮氧化物的排放特性

该图表明， NOVC- HEV 和 OVC-HEV 的 NOx 排放都远低于欧 6d 限值。与基于发动机的催化剂起燃策略相比，电加热催化器（EMICAT®）的优点可归纳如下：

- 催化器起燃几乎不影响油耗

- 加热不需要起动发动机

- 灵活使能的加热片

- 催化器相对发动机的布置位置更加灵活

显而易见，新的“48V 高功率”电动驱动系统和电加热催化器（EMICAT®）相结合，足以应对排放和油耗的双重挑战。

“48V高功率”电驱动系统除了具有良好的动力性能，还在成本方面也具有很强的竞争力。大陆将本方案与采用MPI发电机和eCVT的功率分流架构的高压混动系统进行了比较。该研究基于市场价格估计，其结果如图15所示：

• 使用GDI发动机和集成了“48V大功率”电驱动系统的双离合变速器（DCT）的48V全混合动力车的价格降低15％ ；
• 用MPI发动机代替GDI发动机，48V全混动车价格降低28％ 。

所节省成本几乎都来自于48V零部件，例如电机和功率电子零部件（例如DC / DC），还有电气附件（如空调压缩机）。这是因为与高压系统相比，48V系统不需要复杂的绝缘措施及监控措施，零部件的设计明显简化。48V大功率电驱动系统的优点得益于：

• 经济高效的电机技术；

• 发动机和传动技术的较少改动。

8. 结论