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汽车干货:MHEV 48V混合动力技术篇!

2017-12-21欧洲汽车那些事

欧洲近几年把48V系统搞的火热,奥迪量产了电增压Q7。另外,48V BISG启停技术也将要在2020年之前在欧洲普及。现在主要的几个48V系统相关供应商也都在紧密安排在其他市场的匹配和量产工作。

车叔今天要解答的就是,48V MHEV到底能给主机厂带来什么?以后会怎么发展?里面有什么细节?下面一个个回答:

(一). 现状分析

弱混,其实从名字上就看得出来是一个向强混过度的技术路线。存在的意义就是非常高的“产出/投入”比例。在原有车辆构架的基础上,加一个48V电池(一般1度电左右)和DCDC转换器。因为电压不高,涉及的安全等级也不需要过多的保护处理。

以前48V供应商来宣传的时候,一直在宣传电增压多便宜,BISG多便宜,但是都不提电池成本。现在随着48V的普及,一套电池系统供应多个用电器,均摊成本就下降很多了。车叔看到过一个欧洲主机厂MHEV量产时间表,接下来几年内蜂拥而至,应对2020排放标准。而目前供应48V BISG的厂商包括法雷奥,博世,大陆,LG等。

在MHEV中,举足轻重的就是BISG启停电机。由于加大了电压,功率能够支持快速启动和停止发动机。一般热机能够达到0.5秒左右以内,这比我们一般绿灯起步时“踩下离合器踏板- 挂一档- 松离合”的速度要快。而且由于启动速度快,不会出现以前那种“突突突”好几下才能启动的情况,对于驾驶舒适性和nvh有很大帮助。

在车辆静止或者滑行时,发动机熄火的速度也会快很多,达到0.4-0.5秒以内,比起以往的自动停机可以快将近一倍。同时还可以回收一部分电能。

在冷启动时,也可以通过BISG来增加发动机负载,提高排气温度来加快暖机速度。当然,目前的BISG很少能满足长时间持续大扭矩输出(极限扭矩往往在50Nm左右)。

另一方面,最近火热的电增压其实在业界已经研究了不少年。法雷奥购买了CPT(Controlled Power Technologies)的乘用车(3.5吨以下车型应用)交叉磁阻电机技术(Switched Reluctance Motor)之后当上了电增压的先驱者,奥迪用的就是这套系统。紧随其后的众厂商(博格华纳,霍尼韦尔,皮尔伯格,三菱重工,等等)也靠着永磁同步电机进入了市场。当然还有通过eCVT及类似系统支持的Eaton和IntegralPowertrain,以及其他一些更少见的电增压概念。车叔会结合经验单写一篇,详细分析一下搞电增压需要掌握的技术,以及主机厂在什么时候什么条件下应用电增压有可能有更大优势)

从宏观上理解电增压,实际上,它是利用低压系统(48V)在消耗很少电能的前提下为发动机提供更多进气量。而发动机可以用多喷油的方式,在总输出功率上产生一个放大比例。电增压消耗3-5千瓦能量的同时,发动机可以多输出15千瓦甚至更多。

其实发动机将额外的油气转化成能量的过程本身并没有太多的效率改善。而且,现在的电增压基本都是瞬态工作(几秒钟而已,最大工作时间根据载荷而定,具体请关注车叔之后的电增压文章)。但是,瞬间释放额外能量的能力,给整车匹配带来了很大帮助。

实际上奥迪配备了电增压的新款柴油机低速扭矩特性也只是在瞬时能够达到(3-5秒左右以内),超过这个时间,低速扭矩就会下降。但是车辆如果是在平路上加速的话,3-5秒后车辆已经进入高速,不再需要低扭。唯独的问题是在低速高扭,爬坡的时候会出现扭矩在几秒之后衰退。另外,48V电池的电量和充电能力也不足以支持一分钟内过多次数的急加速(5-10次以上)。

总结一下电增压能够带来的帮助:

(1)非常直观的,大幅改善增压发动机响应速度。

(2)虽然对变速箱的稳态匹配不会有太大影响,但是可以允许车辆在加速时使用高一个档位,优化发动机工况来降低油耗和排放。

(3)可以牺牲废气涡轮增压本身的低扭和响应速度,来更有针对性的提升发动机最大功率(往往可以提升最大功率10-15千瓦左右,同时还要对进排气及喷油系统进行优化甚至再选型,继续增加功率可能会遇其他硬件的瓶颈或者牺牲经济性)。而通过电增压来弥补低扭和响应。

(4)对于汽油机来说,可以克服低速大扭矩时扫气带来的排放和三元催化问题。在增压汽油机上,一般为了克服低扭爆震问题,都需要加大重叠角和扫气来降低缸内残余气体比例。但是这使得排气LAMBDA偏离1,给排放和三元催化带来问题。有了电增压,就可以降低这个工作区域的排气背压,从而直接减少对扫气的需求。

(5)柴油机对电增压的需求可能会更大。因为随着排放标准的升级,多级增压系统的热惯性特点导致的冷启动排放问题,使得满足欧洲RDE和美国SULEV成了难题。用电增压替代二级增压里的高压级,或者对已有增压系统进行补充,可以使得柴油机冷启动排放问题大大缓解。同时还可以提供加速瞬间的EGR降低NOX的瞬间排放。这正是奥迪Q7柴油机上配备电增压的原因。(和国内技术路线不太相关,车叔在这就不过多讨论了)

(二). 技术路线

总体来说,MHEV的BISG是你可以装上就可以立即见到功效的(当然还要要对皮带,张紧机构,48V电池和DCDC进行设计)。一般来说,相比单纯的Start-Stop,48V BISG可以带来5%左右的驾驶循环油耗改善(根据具体的MHEV类别)。另外,由于熄火滑行这种实际驾驶工况不出现在驾驶循环中,欧盟给有这样功能的车型额外碳排放优惠,以鼓励RDE实际驾驶改善。

从多个主机厂和供应商了解到的数据来看,批量后的成本,也基本可以控制在600元人民币/1%以内(仅BISG带来的提升,未包含发动机附属件。这个数字会根据具体情况有很大浮动,仅供参考),基本符合国内外主机厂的目标“产出/投入”比。所以还是非常可观的。

另外,从今后的混动发展路线来看,如果是走欧洲路线,朝着P0-P4类型PHEV发展,使用传统变速箱,那么BISG是一直会需要的,唯独有变化的是BISG的尺寸重量,功率和电压。可能成为高电压P0+PX系统。其中的P0 BISG将可以起到更大的扭矩辅助和电能回收功能。比如下图是一些供应商正在研发的系统构架。

汽车零部件,48V

图1.某P0+P3系统

这也意味着,今后发动机的功率扭矩需求会下降,同时,发动机的升功率也可能为效率让路,因为不再需要很广的工况区间需求。如果是要走日系行星轮路线,那么BISG可能就不再需要,而会被MG1取代。

另一方面,48V电增压就不是你装上就能立马显神功的了。除了对变速箱标定进行调整,如果要增大发动机功率的话,硬件选型可能要从新匹配。另外,也许原来的发动机本体的响应已经足够好,本来也不需要电增压提供瞬时的扭矩支持。所以最好还是从整车的设计需求出发,往发动机子系统提出要求的时候再进行分析,看是否需要电增压的辅助。如果从技术路线来看的话,电增压很可能在HV PHEV来临之前,针对运动车型的细分市场。因为其主要还是起到的瞬时支持和功率放大的作用,加上HEV的发展会因为大功率电机降低对发动机瞬时响应的需求。

(三). MHEV分类

如同混动P0-P4的分类,MHEV也有分类。下面的1-4级的区分是基于Start-Stop之上的。

汽车零部件,48V

图2. MHEV分类

相比单纯的Start-Stop,MHEV 1增加了扭矩辅助功能,对发动机的几十牛米的支持可以优化发动机的工况区间。在高速行驶刹车时,MHEV 1也可以参与回收动能。

1-2级不支持车辆高速滑行时发动机怠速或熄火,这也是和3-4级最大区别。怠速或熄火功能要想实现,就需要用主动制动系统替换掉传统的机械制动系统。这样,制动力可以随时由整车控制器根据驾驶员的制动踏板深度进行调控。而1-2级的动力回收基本可以理解为粗糙控制型,在不影响驾驶感受的前提下,能回收多少是多少。

比如说,在MHEV3上,车辆滑行且发动机怠速时,发动机与传动系统断开连接。如果此时驾驶员踩下刹车踏板,整车控制器需要:

(1)要求BISG启动发动机 - 100%制动需求由刹车提供

(2)发动机加速,进入转速控制模式,与车速对应 - 100%制动需求由刹车提供

(3)发动机与传动系统对接 - 刹车制动减弱,总制动需求不变,由刹车+发动机摩擦分摊,

(4)BISG开始回收能量 - 刹车制动继续减弱,总制动需求不变,由刹车+发动机摩擦+BISG能量回收分摊

因此,底盘上的制动系统需要和整车控制器进行实时数据传输,并进行制动力管理。这也是从MHEV2升级到3的最大的硬件和软件变化。

而如果继续升级到4,则需要对润滑/冷却系统进行单独的电机驱动,保证发动机在车辆高速滑行时可以停止运转。

同样,如果驾驶员在滑行时踩下加速踏板,(1)-(4)的过渡过程仍然需要发生,只是此时需要保持的是车辆的车轮端的加速扭矩稳定性。

(四). 技术难点

这些加减速过程和模式切换的平顺性,实际是HEV混合动力车型的一大难点。比如在急加速时,车辆从电动模式切换到混动模式的过渡阶段。

如果是涡轮增压发动机,还需要用ECU的扭矩模型预测涡轮增压的响应速度,并且让电机的输出扭矩弥补涡轮的渐变响应,保证整体的扭矩输出与驾驶员的需求一致。另外,整车控制器还需要保证瞬间总输出扭矩不超过变速箱的承受极限。

而与此同时,发动机与传动系统对接时离合片的闭合控制需要进行精确标定。而发动机在加速准备对接时的转速控制也要求更快的速度。整个过程一般会在一秒钟左右以内完成过渡。

这实际上也说明,混动系统除了三大件的设计布局,和热管理之外,很大的一个技术难点就是模式切换的控制。因为车辆有了两个动力源,相互又存在着交叉影响。前期设计和选好型的硬件装车虽然不简单,但是后期让各个零部件协调统一工作,也成了标定和控制策略工程师们的挑战。

其中需要用到大量的Model Based Control来进行前馈控制,因此,发动机ECU和整车控制器中也需要有更大量的新功能模块和模拟运算,保证对车辆性能的准确预测。为了尽早完成整车标定任务,往往也会需要标定部门和整车设计及发动机设计部门对于车辆特性进行模拟,以便在还没有装车之前,就在虚拟环境和Simulink平台下将新模块初步设计完成,并且粗略填写其中的标定参数(比如一些时间常数,增益值和响应特性等)为后期的整车台架标定提供一个起始点,提高效率。

根据混动系统控制策略和标定的复杂度,新的市场已经在壮大。像AVL,里卡多这样的咨询公司虽然无法提供三大件的生产供货,但是都有非常强的后期标定实力。可以想象到,混动车的设计一旦上量,他们会有大量的标定业务,甚至会接单接到手发软......标定公司最喜欢的就是更多的自由度和复杂度,来让他们展现自己的实力。同时,AVL的整车台架销量也许也会再创新高……

当然,以上这些标定和控制上的难点是主机厂的课题。对于供应商来说,在电增压控制器中建立精准的温度控制信号,用来反馈给整车控制器,这也是很大的难题。

在BISG硬件上,一般都会有多个实际温度测量点。另外,BISG控制器中也会有温度模型,对一些难以测量的位置进行预估。这些测量和预估的温度数据会被实时监控,一旦接近或者超过临界值,控制器会自动降低BISG载荷,并且向整车控制器发送信号。供应商为了确保自己设定的临界值合适,往往会做大量不同循环Duty Cycle的实验,以确认耐久性。

同时,整车控制器也还需要实时和电池热管理系统和能量管理系统进行沟通,保证电池的SOC,效率和功率。一般在MHEV上也基本会保留原有的12V 启动机。这样在极低温度的情况下,锂电池无法充放电时,车辆仍然可以正常启动和运转。

作者唐华寅博士,曾参与1.0T及2.0T发动机硬件选型与ECU控制策略,现于捷豹路虎技术中心从事动力总成开发。

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