降低CO2排放 高效内燃机与48V插电式动力设备的组合动力系统就能解决

当前针对汽车电动化的大力推行使得车用内燃机的发展每况愈下，AVL 公司作为回应，从而开发了一种高效内燃机与 48 V 插电式动力设备的组合动力系统，通过该途径实现了一种充满前景的替代方案，不仅降低了 OEM 制造商车队的 CO2 排放，而且能使用户在市内能实现无排放的电动行驶。

1 强大的政治压力

随着汽车电动化的不断推行，使得车用内燃机的发展情况捉襟见肘，特别是在欧洲，除了基于交通运输而设定的 CO2 排放法规所产生强大的政治驱动力之外，同时也要求对空气品质进行显著改善。此类要求也反映了未来欧 7 废气排放法规的严苛程度，特别是基于真实行驶排放（RDE）边界条件，该法规的要求将超越美国超低排放车辆 US－20 法规的限值。

用于市内行驶的微型车辆在附着质量、结构空间需求特别是全电气化的成本等方面都受到限制，因此混合动力特别是 48 V 系统则具有重要意义。

2 当前的 48V 驱动系统

将 48 V 皮带传动起动机－发电机（BSG）集成到动力总成系统已显示出其独特的应用前景，其能改善内燃机废气排放的适应性以及驾驶机动性和行驶动力学性能。尽管如此，该类系统基于在皮带传动中的布置，其在电动行驶、灵活驾驶、制动行驶等方面无法提供充分的用户使用经验。除了上述限制之外，通过皮带传动的扭矩受到限制也会带来附加的技术挑战。皮带传动如需传递更大的扭矩就要求增加皮带筋条和／或提高三角筋条皮带的预紧力，由此会导致更剧烈的摩擦，从而增加燃油耗，而由此又不得不设法予以补偿。

48 V 系统相对于 12 V 系统的燃油耗优势是基于更大的能量回收潜力，甚至在考虑到 DC／DC 转换器效率损失的情况下发电机仍具有良好的效率。这些限制以及在回收运行能量时内燃机并未脱开动力总成系统的实际情况，使得该系统降低 CO2 排放的效果逐步受限。

3 下一代 48 V 系统

与 48 V－BSG 相比，电机直接布置在动力总成系统中并且能使内燃机实现脱离的系统能更有效地降低 CO2 排放，因而不仅能回收更多能量，而且还能提升实现汽车电动化的可能性。

图 1 中示出的 P2、P3 和 P4 布置型式能够实现上述的电动出行方式，而且能获得与结构相同的高电压全混合动力系统相似的降低 CO2 排放的效果。

图 1 P0～P4 型 48 V 动力总成系统架构以及在 WLTC 试验循环中按电机尺寸回收能量曲线

混合动力降低 CO2 排放的技术提升潜力主要依赖于能量回收系统，因此本文的研究重点主要在改善回收能量的效率上。此处所考虑的边界条件是由车辆大小、质量、行驶阻力和行驶循环法规所决定的。系统分析（基于模拟工具 AVL Cruise）表明，用于前桥横置驱动结构的 P2 混合动力方案能提供最高的能量回收潜力。

约 20 kW 的峰值功率是发电机处于运行时能量利用与系统功率之间的良好折中。鉴于结构空间需求、系统成本和模块化／可缩放性，侧置（偏置）系统提供了良好的潜力。由于偏置结构附加的传动比，能使用集成了变频器且转速高达 18 000 r／min 的高转速电机。电机的这种方案能被设计成一个模块，因为其同样能作为电驱动桥或作为小型电动车（例如 A0 级三轮摩托车）的主驱动装置。

在开发中，现有的解决方案在驱动运行时可提供约 25 kW 或 20 kW 的发电机功率。功率的差别是以系统电压为基础的。由于蓄电池内部存在阻抗，从蓄电池中获取 20 kW 功率会引起电压降，而将电流通至蓄电池则会相应提高电压，从而获得更高的额定功率。

4 48 V 插电式混合动力车

为了能在 2025 年或 2030 年达到规定的降低 CO2 排放的目标，从而需不断优化车辆的摩擦损失、变速箱的换挡策略以及内燃机本身的热管理方案，但即便如此，降低全混合动力车型的 CO2 排放效果仍然有待提升。

从逻辑角度出发，需增加电动车所占的市场份额，借助于以 VW Golf Ⅶ轿车为基础的演示车辆进行系统模拟就能体验到该目标效果。为此，将 AVL 公司开发的效率优化的内燃机与 20 kW 电动后桥以及 AVL 公司开发的容量为 5．3 kW·h 的 48 V 蓄电池相组合，并在真实交通中进行试验。这种优化的动力总成系统能在最高车速为 50 km／h 情况下以电动状态行驶 20 km 以上的里程（图 2）。

图 2 AVL 演示车辆的 CO2 排放和架构（PHEV＝插电式混合动力）

5 日常局部无废气排放

为降低废气排放（例如 CO2）而开展的研究并不完全在于用户。自由进入城市的零排放区域和电动驾驶体验对其充满吸引力。对于用户而言，除了成本价格以外，其主要关注的是行李舱、净载质量、行驶功率等方面的车辆特征。为了满足系统中的相关要求，设计时需分析真实生活中的使用情况，例如需正确地开出车库、横越人行道边沿、通过坡道和更长的距离，同时需考虑的不仅是从－30～60 ℃的温度影响，而且还包括有小型车净载质量 480 kg 和自重 1 250 kg 等使用情况。

针对各类重要使用情况的广泛分析即可正确地确定要求，例如对中欧使用情况的系统综合即可得出了所需求的平均电动行驶里程为 22 km，这对于市内范围行驶可充分满足要求。

对于 C 级车和质量为 1 500 kg 的车辆而言，其最大车轮功率需求约为 25～30 kW，而车辆用于驱动的平均持续功率约为 5 kW，用于诸如采暖／冷却装置、娱乐信息设备、汽车前大灯、刮雨器装置等辅助设施平均需要增加 1～3 kW 功率，因此蓄电池的总持续功率需达 6～8 kW 左右。图 3 上图示出了用于 WLTC 试验循环城市部分和用于真实城市行驶的功率需求比较。

图 3 WLTC 城市部分和真实城市行驶以及 WLTC 需求的功率的比较

在考虑到从车轮直至蓄电池的传递路径时，所需的电系统功率约为 30～35 kW。若维持正常运行的最低电压为 34 V，在 30 kW 时的峰值电流则为 880 A。

影响电系统成本的主要因素是电流而并非是电压，以此牵涉到选择该类 48 V 系统的正确与否，正如 ISO 6469－3 标准（道路输电安全性标准）所规定的一样，将更高的 75 V 高电压作为系统电压，也只能使电流减小约 20％。

图 3 下图通过系统的综合分析表明，高功率仅需要较短时间（绝大多数为 1～5 s），因此对这些功率峰值的需求相对较少。如果需持续提供 8 kW 的最大功率，采用直径大大幅减小的导线即可满足其要求。

真实行驶和 RDE 法规的要求带来了需进行附加考虑的因素，例如低温性能和使用寿命。如果考虑到对系统标准架构的相关要求，为此应作出必要的调整。

诸如大电流及其所引起的损失、高电流脉冲时的电压突破以及蓄电池的低温性能等关键性的挑战，在当前的系统架构下通常是难以解决的。由此为了将这些要求模型化，应用系统工程方法将会面临 3 种有趣的情形：

（1） 高功率—受限制的持续时间—大电流；

（2）低功率—长持续时间—小电流；

（3） 低温—功率不降低。

在该类系统架构中使用的 48 V 蓄电池具有 400 W·h 的能量。由此导致的限制是较高的能量损失和效率的降低（图 4）。正如在系统架构中所表现的一样，该类蓄电池和能量传递途径在满足上述 1 和 3 两种要求的情况下会显示出相应弊端。

图 4 12s2p 和 400 W·h－48 V 蓄电池的功率输出和内部损失

能充分满足此类要求的蓄能器是一种双层电容器（DSK），这种技术的缺点是电压升程较大。蓄电池与双层电容器的组合对于上述任务是一种充满希望的解决途径。为了将损失降低到最低程度，有别于大多数其他方案，将电容器集成在动力模块中是较为可行的。此时，如需将其集成为一个模块，则有两种可能性：第一种可能性是应用一种简单的半导体开关将电容器连接到蓄电池电压上，从而降低成本。在该情况下一个小型 DC／DC 转换器即可在非主动状态下进行充电和放电。第二种可能性是预先应用一种大电流 DC／DC 转换器，此类转换器的设计能作为变频器而进行设计优化。

在该两种情况中，双层电容器的数量需根据功率和能量需求来决定，而非取决于电压水平，由此能实现有利于降低成本的设计。

基于分开式系统架构所应用的蓄电池在低温性能和峰值功率方面的要求较低，允许采用带有能量单元的蓄电池设计，这些能量单元在安装容量方面能达到较高的能量密度和较低的成本。

最后，应考虑电机和变频器较高的电流需求。如果将设计从 3 相改成 6 相而没有星形连接点的话，那么电流将减小一半，每 3 相的损失将减小到四分之一，每 6 相的损失就减小到一半，类似于等式 P＝I·R。

6 新的高功率系统架构

新的系统架构（图 5 上图）能满足不断提升的要求，在 WLTC 试验循环中根据所安装的蓄能器能使 CO2 排放低于 65 g／km。

这种系统架构的核心部件是 AVL－48 V 电动桥。除了电机之外，其同时包括减速传动机构和离合器，后者在高车速时可使电机脱开动力系统。集成在电机中的变频器（图 5 下左图中蓝色标记）被安装在一个共用的壳体中（图 5 下图），并将水冷却循环回路与电机分开。

图 5 基于系统合成和 AVL－48V 高功率电动桥的系统架构以及能量单元和 6 相电机的设计