錢(qián)國(guó)剛,周 華,方茂東

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心， 天津 300300)

配置48 V系統(tǒng)后汽車(chē)的節(jié)油效益研究

錢(qián)國(guó)剛,周 華,方茂東

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心， 天津 300300)

“電機(jī)取代電液”是汽車(chē)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，48 V系統(tǒng)提供了合用的功率電機(jī)及控制電機(jī)部件。電動(dòng)增壓、智能化凸輪相位調(diào)節(jié)、變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油技術(shù)都受益于48 V電機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)水泵和機(jī)油泵改成48 V系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，可減少功耗并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。48 V電機(jī)的操縱性能使雙離合變速、CVT等達(dá)成快速響應(yīng)，也削減了變速器伺服件上的動(dòng)力損失。48 V電氣支持“斷離合滑行”模式，免除了車(chē)輛緩減速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失，滑行距離大幅延長(zhǎng)。48 V有利于削減車(chē)風(fēng)阻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。制動(dòng)時(shí)48 V電機(jī)對(duì)車(chē)輛動(dòng)能回收更多，給車(chē)輛提供電力來(lái)源。座椅主動(dòng)通風(fēng)等各附件在48 V電氣下更高效，有節(jié)油效果，使用舒適感更優(yōu)。磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰、鈦酸鋰及三元鋰電池可以作為48 V電氣架構(gòu)的電池。因此，有節(jié)油潛能的多項(xiàng)技術(shù)手段依托于48 V系統(tǒng)。

48 V系統(tǒng)；汽車(chē)；電機(jī)；油耗

在下一階段燃油經(jīng)濟(jì)性/CO2排放標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)下(美國(guó)(2017—2025)、歐洲(2020—)、中國(guó)(2021—2025))，為進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車(chē)油耗，許多汽車(chē)制造商在高于12 V電壓的電輔助技術(shù)藍(lán)海里尋求手段。與強(qiáng)混、中混相比，40 V上下的電氣架構(gòu)均衡兼顧了配件成本、節(jié)油效果和乘員用電安全，與當(dāng)前制造平臺(tái)承繼性佳，市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)突出。這一技術(shù)路線(xiàn)曾遭挫折，例如1990—2004年間42 V電源工作組倡導(dǎo)的42 V標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 21848—2004(名義電壓為36 V)無(wú)疾而終?，F(xiàn)今新開(kāi)發(fā)的很多節(jié)油技術(shù)要由數(shù)千瓦級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，歐洲多家企業(yè)聯(lián)合于2011年提出推薦性標(biāo)準(zhǔn)LV148，即48 V標(biāo)準(zhǔn)(名義電壓48 V)。近2年來(lái)，加入48 V車(chē)型研發(fā)的車(chē)企越來(lái)越多。

1 48 V電機(jī)操控性能和對(duì)車(chē)輛油耗的影響

汽車(chē)行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速變化頻繁，子系統(tǒng)要給出瞬態(tài)響應(yīng)，因此多采用可控性強(qiáng)、瞬態(tài)響應(yīng)快的電執(zhí)行器，例如電液機(jī)構(gòu)、電機(jī)機(jī)構(gòu)等。傳統(tǒng)12 V電氣規(guī)格足以驅(qū)動(dòng)電液機(jī)構(gòu)的電磁閥，借助液壓來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成操控動(dòng)作。然而12 V電壓無(wú)力驅(qū)動(dòng)一些功率較高的功率電機(jī)及控制電機(jī)，相應(yīng)的節(jié)油技術(shù)就無(wú)法采用。近年來(lái)48 V規(guī)格工業(yè)級(jí)器件、小微電機(jī)發(fā)展成熟，在技術(shù)水平及成本上已適合用作汽車(chē)配件?！半姍C(jī)取代電液”正成為汽車(chē)技術(shù)動(dòng)向。從12 V升級(jí)到48 V，功率電機(jī)及控制電機(jī)的電功率上限值從3～5 kW(峰值6 kW)擴(kuò)展至高于20 kW[1-2]，大大拓展了其發(fā)揮效用的場(chǎng)合。該技術(shù)主要應(yīng)用于直接耦合驅(qū)動(dòng)力、輔助提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃效(電動(dòng)增壓、可變氣門(mén)技術(shù)和可變壓縮比技術(shù)等)、發(fā)動(dòng)機(jī)附件的電氣化(電子水泵、電子機(jī)油泵等)、減小阻力、改善傳動(dòng)系運(yùn)行狀況、電液系統(tǒng)替換為電機(jī)執(zhí)行等。

1.1 直接耦合驅(qū)動(dòng)力的電機(jī)

48 V電機(jī)的功率水平已適合用作車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力輔助來(lái)源，例如短時(shí)用于電助力、電爬行等。當(dāng)48 V電機(jī)提供額外驅(qū)動(dòng)力時(shí)，依其所處位置可以分為P1～P4等4種方案[2-3]，如圖1所示。各方案都能實(shí)現(xiàn)電助力功能，P2、P3和P4方案還可實(shí)現(xiàn)電爬行功能。電助力功能使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更高燃效的工況點(diǎn)，能降低油耗。電爬行的節(jié)油功效與混合動(dòng)力汽車(chē)的節(jié)油原理相同。對(duì)于配備雙離合變速器的車(chē)輛，P3、P4方案里的電爬行功能有助于避免起步低速時(shí)離合器片過(guò)熱及傳動(dòng)頓挫問(wèn)題。上述功能在12 V系統(tǒng)里則不便達(dá)成。

圖1 電機(jī)直接耦合驅(qū)動(dòng)力

1.2 提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃效的技術(shù)

近年來(lái)有多項(xiàng)提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃效的技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，例如從熱力學(xué)角度出發(fā)的可變氣門(mén)技術(shù)以及渦輪增壓技術(shù)等。48 V電氣架構(gòu)使這些節(jié)油技術(shù)得以“落地”。

1.2.1 電動(dòng)增壓器

汽車(chē)廢氣渦輪增壓技術(shù)能降低燃料消耗率3%～10%，然而低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有限的廢氣量不足，無(wú)力推動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，位于進(jìn)氣道正中央的渦輪壓縮端葉片反而阻滯了進(jìn)氣，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩特性被抑制，燃油效率不佳。當(dāng)前的改善手段例如零件輕量化、采用大小雙渦輪、應(yīng)用可變幾何截面渦輪使遲滯效應(yīng)有所緩解，但不能消除。市區(qū)工況走走停停，低車(chē)速多，受制約更明顯。

電動(dòng)增壓器是一項(xiàng)改進(jìn)手段，由獨(dú)立的電機(jī)拖動(dòng)壓氣機(jī)向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣端增壓補(bǔ)氣。零部件公司CPT在2000年提出可變扭矩增強(qiáng)系統(tǒng)VTES(variable torque enhancement system)，近年來(lái)又開(kāi)發(fā)了12 V電壓(功率2 kW)的電動(dòng)增壓器，但性能不適合車(chē)用(見(jiàn)圖2里箭頭所指曲線(xiàn))，壓氣機(jī)的質(zhì)量流量和增壓幅度之間為此消彼長(zhǎng)，解決辦法是提高電功率，即升級(jí)到48 V。

圖2 12 V及48 V下電動(dòng)增壓器特性

法雷奧給新款柴油車(chē)奧迪SQ7配套了48 V的7 kW功率電動(dòng)增壓器，響應(yīng)時(shí)間小于0.25 s，最高轉(zhuǎn)速 60 000～70 000 r/min，其主體結(jié)構(gòu)為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)配合離心壓輪，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，離心壓輪可達(dá)成較大增壓比。電動(dòng)增壓器與傳統(tǒng)渦輪增壓器組合應(yīng)用的一種方案見(jiàn)圖3。電動(dòng)增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)可以瞬態(tài)提速，通過(guò)該分支的氣流量由旁動(dòng)閥切換來(lái)加以控制。工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)增加進(jìn)氣量，迅速提供大扭矩。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速時(shí)，整套增壓系統(tǒng)又切換到廢氣渦輪增壓。在電增壓時(shí)段里，發(fā)動(dòng)機(jī)能額外輸出的功率為電動(dòng)增壓器本身消耗能量的3～5倍[3]，總體可節(jié)油2%～3%。

圖3 電動(dòng)增壓器與傳統(tǒng)渦輪增壓器組合應(yīng)用的一種方案

英國(guó)Aeristech公司2015年發(fā)布了最高轉(zhuǎn)速可達(dá)150 000 r/min的電動(dòng)增壓器原型機(jī)，其由具有低慣性特性的永磁開(kāi)關(guān)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)離心式壓氣機(jī)，響應(yīng)時(shí)間小于0.4 s[4]。MAHLE動(dòng)力公司將其裝在一款1.2 L三缸汽油機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了250 kPa持續(xù)增壓。

博世、霍尼韋爾、三菱、博格華納、皮爾博格、博世馬勒等零部件公司也在積極開(kāi)發(fā)電動(dòng)增壓器。奔馳、馬自達(dá)、大眾、韓國(guó)現(xiàn)代等整車(chē)公司也宣稱(chēng)將運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)。

1.2.2 可變氣門(mén)技術(shù)

可變氣門(mén)技術(shù)通過(guò)調(diào)整配氣相位等手段來(lái)提高充氣效率，優(yōu)化汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)特性，削減熱量損失和泵氣損失，可顯著提高直噴汽油機(jī)的燃燒效率。相位調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)手段有：“凸輪軸調(diào)相器”“凸輪軸調(diào)相器+電液挺桿”“凸輪軸調(diào)相器+凸輪移位+電動(dòng)執(zhí)行器”“機(jī)電凸輪軸相位調(diào)節(jié)裝置ECP”“凸輪軸調(diào)相器+電機(jī)控制中間軸”“電液系統(tǒng)”等。ECP部件由特制的低長(zhǎng)徑比無(wú)刷直流電機(jī)和一個(gè)高減速比齒輪組組成，可以提升凸輪軸調(diào)整效率和精準(zhǔn)度[5]，能對(duì)怠速起停發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷特性改變作出配合響應(yīng)。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著：不受低溫時(shí)機(jī)油黏度增大的制約；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；可達(dá)成更理想的殘余廢氣百分比；無(wú)需液壓儲(chǔ)壓器部件等，但成本制約了該技術(shù)的應(yīng)用。舍弗勒2006年將ECP技術(shù)引入奧迪車(chē)型，有預(yù)測(cè)認(rèn)為當(dāng)其費(fèi)用小于或近于液相調(diào)壓器時(shí)將替代后者。特制電機(jī)是導(dǎo)致其成本加倍的主要因素，48 V 電機(jī)運(yùn)用到ECP上可望降低成本。

全可變氣門(mén)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)氣門(mén)升程調(diào)節(jié)，例如寶馬Valvetronic系統(tǒng)等。更前衛(wèi)的一些方案可以使進(jìn)氣門(mén)的作動(dòng)不再依賴(lài)曲軸傳遞來(lái)的動(dòng)力，操控更靈活。這些方案分為電磁閥液壓操縱及電機(jī)操縱2種。電磁閥液壓操縱的范例有菲亞特與舍弗勒2009年聯(lián)合推出的Multi-Air/UniAir；電機(jī)操縱的有Camcon Automotive公司新近推出的IVA控制機(jī)構(gòu)。后者由電機(jī)驅(qū)動(dòng)小凸輪軸帶動(dòng)搖臂推動(dòng)氣門(mén)，免除了發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力在凸輪軸上的直接消耗。48 V電機(jī)更容易達(dá)成此作動(dòng)。該公司預(yù)期IVA能使油耗下降8%，實(shí)現(xiàn)更高功率，提高低轉(zhuǎn)速下的扭矩。

1.2.3 可變壓縮比技術(shù)

可變壓縮比技術(shù)能兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)效率目標(biāo)與抗爆震目標(biāo)：以高壓縮比應(yīng)對(duì)低負(fù)荷工況，提高效率；以低壓縮比用于高負(fù)荷工況以抑制爆震。VC-T技術(shù)方案即是其一，它以固定在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壁的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一套杠桿機(jī)構(gòu)從而使連桿在不同狀態(tài)間切換，達(dá)成8∶1(高性能)到14∶1(高效能)之間任意比率的壓縮比。預(yù)期首款車(chē)型將是2017年末投產(chǎn)的英菲尼迪QX50。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)控制，特性曲線(xiàn)受電壓值影響。圖4顯示步進(jìn)電機(jī)的保持扭矩?cái)?shù)值隨轉(zhuǎn)速升高而降低。電壓僅為12 V時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)不得不在轉(zhuǎn)速與力矩之間有所折衷，而48 V電氣架構(gòu)賦予設(shè)計(jì)更大靈活性。直流無(wú)刷電機(jī)類(lèi)伺服電機(jī)的扭矩隨直流母線(xiàn)電壓及占空比的增大而增大。與12 V 相比，48 V拓寬了電機(jī)調(diào)節(jié)能力。

圖4 步進(jìn)電機(jī)在不同電壓下的扭矩特性

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)附件等系統(tǒng)的電氣化

傳統(tǒng)上，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出的驅(qū)動(dòng)力有少部分被水泵、機(jī)油泵等發(fā)動(dòng)機(jī)附件和空調(diào)壓縮機(jī)等其他附件消耗掉。改用其他機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)就可以避免這些損耗。汽車(chē)使用時(shí)其水泵要持續(xù)運(yùn)行，改換成電動(dòng)水泵時(shí)應(yīng)選配的電機(jī)功率為0.4～1 kW。48 V電氣架構(gòu)下電機(jī)效率高，能實(shí)現(xiàn)這一驅(qū)動(dòng)功率。48 V電動(dòng)水泵不僅更便于發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理和減少能耗，還簡(jiǎn)化了車(chē)輛構(gòu)件，減少了組件單元和減輕了車(chē)質(zhì)量，有助于輕量化。12 V電動(dòng)水泵曾用在寶馬公司2005年的N52系列汽油機(jī)和奧迪公司的個(gè)別車(chē)型上。隨著48 V電氣架構(gòu)的應(yīng)用，電子水泵將逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械水泵。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵的電氣化是另一項(xiàng)節(jié)能選項(xiàng)。有實(shí)驗(yàn)研究顯示：在一款1.5 L柴油機(jī)的機(jī)油泵上進(jìn)行的機(jī)油壓力控制優(yōu)化，僅通過(guò)降低在活塞部位冷卻方面的油壓就降低了4.5%油耗，而降低曲軸上轉(zhuǎn)軸部位油壓也使小負(fù)荷工況下的油耗率降低4.5%[6]。48 V電氣下的油泵能夠更便捷地實(shí)現(xiàn)這些控制。

1.4 改善傳動(dòng)系運(yùn)行狀況的技術(shù)

車(chē)輛傳動(dòng)系依托變速器等部件輸送驅(qū)動(dòng)力，變速器、離合器的操縱機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)效果影響甚大。操縱機(jī)構(gòu)可以是電氣液壓控制，也可以是電機(jī)控制。12 V電機(jī)性能不佳，汽車(chē)行業(yè)只得選用電液控制。電液控制機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)較多：質(zhì)量大、加工難度大、功耗多、液壓油清潔度要求高、低溫時(shí)液體黏度特殊、難于維護(hù)。48 V電氣架構(gòu)使得電機(jī)功率達(dá)到十幾千瓦，性能則與電液控制相當(dāng)。

某些電液控制裝置里產(chǎn)生壓力的動(dòng)力源即電機(jī)和油泵，也同樣可以受益于48 V電氣架構(gòu)的高能量轉(zhuǎn)化率。

1.4.1 自動(dòng)變速器的換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)

雙離合變速器有優(yōu)良的動(dòng)力性和節(jié)油能力，配套量迅速增長(zhǎng)。雙離合變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為電液控制滑閥箱及電機(jī)操縱2類(lèi)。液壓滑閥箱以其可操控性好的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前12 V電氣架構(gòu)下的主流解決方案，然而它也有一些不足，例如控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度受液壓油制約、系統(tǒng)可靠性稍遜等。

電機(jī)操縱方式其中一個(gè)實(shí)例為6DCT250-干式，其以2組離合機(jī)構(gòu)分別控制雙離合變速器的2個(gè)離合片，其中一組的驅(qū)動(dòng)力傳遞如圖5所示。電機(jī)控制絲杠以正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等作動(dòng)來(lái)推拉螺母，牽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成離合器片的結(jié)合、半結(jié)合、完全分離等動(dòng)作。

圖5 電機(jī)操控離合器片狀態(tài)切換的機(jī)構(gòu)

此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式更為直接，具有可靠性好、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。傳動(dòng)軸減為2軸，減低了摩擦損耗，有助于提升燃油經(jīng)濟(jì)性。另外，它的響應(yīng)時(shí)間不及電液控制滑閥箱，后者響應(yīng)時(shí)間為僅數(shù)毫秒，而電機(jī)操縱方案里12 V電壓電機(jī)性能局限，致使操作臂建立壓力時(shí)不像液壓滑閥箱控制得精準(zhǔn)，在操作臂壓力釋放時(shí)反應(yīng)不夠快速。

格特拉克等雙離合變速器廠(chǎng)家采用電機(jī)操縱技術(shù)路線(xiàn)，如圖6所示。換擋撥叉控制單元也由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制單數(shù)擋位轉(zhuǎn)動(dòng)鼓及雙數(shù)擋位轉(zhuǎn)動(dòng)鼓，動(dòng)力由圓柱凸輪機(jī)構(gòu)傳遞，推動(dòng)換擋撥叉直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊是此方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

若從12 V換到48 V電氣架構(gòu)，電機(jī)執(zhí)行器輸出的力矩可望提高數(shù)倍，則可以克服操控性上的弱點(diǎn)，得到更廣泛的應(yīng)用。

除了雙離合變速器，CVT變速器也同樣有望從48 V電機(jī)操縱上受益。

傳統(tǒng)上，金屬帶式無(wú)級(jí)變速器CVT 系統(tǒng)工作時(shí)由電磁閥液壓系統(tǒng)來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞和實(shí)現(xiàn)速比變化。夾緊力控制閥的作動(dòng)依托于加壓液壓油，而速比控制閥采用電磁換向閥或液壓驅(qū)動(dòng)。若能把由消耗發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力的加壓油泵也去除掉，就可以進(jìn)一步減少損失，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率。2010年以來(lái)多篇文獻(xiàn)介紹了電機(jī)操縱夾緊力方案[7-8]，其中一例如圖7所示。

圖6 電機(jī)操控?fù)Q擋撥叉狀態(tài)切換的機(jī)構(gòu)

圖7 電機(jī)操縱夾緊力的CVT

圖7中：電機(jī)1功能是控制速比，其中一種方案采用3級(jí)齒輪減速和1級(jí)螺旋傳動(dòng)減速；電機(jī)2功能為夾緊力調(diào)整，例如某設(shè)計(jì)里設(shè)定電機(jī)最大扭矩為0.5 N·m，則要先經(jīng)由減速傳動(dòng)比為100的齒輪組，然后由絲桿螺母機(jī)構(gòu)把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)位移。傳動(dòng)系的輸入扭矩突變或CVT速比迅速變化都會(huì)使從動(dòng)盤(pán)的需求夾緊力發(fā)生較大變化。從圖4的12 V特征曲線(xiàn)推測(cè)，匹配傳動(dòng)比為100的減速齒輪組的目的是提升扭矩進(jìn)而達(dá)到大的夾緊力，但大減速比犧牲了機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

電機(jī)控制的CVT與怠速起停更匹配。當(dāng)前電液執(zhí)行控制器工作依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力建立的液壓，怠速起停車(chē)型的CVT變速器機(jī)構(gòu)不得不額外設(shè)置一套電動(dòng)油泵部件組來(lái)保持液壓，以應(yīng)對(duì)停車(chē)時(shí)或車(chē)輛剛起步時(shí)的換擋需求，導(dǎo)致在成本、能耗和可靠性方面有所不足。由電機(jī)操控的CVT沒(méi)有這些弊端。與12 V時(shí)相比，48 V電氣架構(gòu)下電機(jī)操縱機(jī)構(gòu)減速比更為優(yōu)化，齒輪個(gè)數(shù)少，整套機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性水平可望提升到與電液控制相當(dāng)。

電機(jī)控制的另一潛在優(yōu)勢(shì)是避免了電液操控系統(tǒng)的過(guò)熱問(wèn)題：在行駛工況負(fù)載長(zhǎng)期頻繁變換時(shí)，一些CVT車(chē)型電磁閥液壓系統(tǒng)作動(dòng)生熱過(guò)多，而其密閉性的結(jié)構(gòu)又使得熱量難以及時(shí)有效地轉(zhuǎn)移給潤(rùn)滑油，熱量積累觸發(fā)熱保護(hù)策略，使車(chē)輛進(jìn)入跛行模式。

1.4.2 自動(dòng)變速器之外的傳動(dòng)系部件

電機(jī)替代電液系統(tǒng)執(zhí)行控制器是一項(xiàng)應(yīng)用。除此之外，與驅(qū)動(dòng)力傳遞相關(guān)的其他技術(shù)手段還有應(yīng)用傳動(dòng)系主動(dòng)預(yù)加熱來(lái)減小低溫環(huán)境時(shí)阻尼的技術(shù)等?！皵嚯x合滑行”從傳動(dòng)系統(tǒng)入手來(lái)削減阻力：在緩減速工況下，車(chē)輛控制系統(tǒng)主動(dòng)斷開(kāi)離合器，發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，車(chē)輛泵氣損失也就不再發(fā)生。其效果類(lèi)似于手動(dòng)擋車(chē)輛的“N擋”滑行，滑行距離大幅延長(zhǎng)，從而降低油耗。保時(shí)捷公司的“coasting” 滑行技術(shù)已獲得歐盟ECO-innovation認(rèn)證。

1.5 減小阻力的技術(shù)

汽車(chē)?yán)碚撜f(shuō)明，車(chē)輛消耗燃油獲得驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)克服4項(xiàng)阻力來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。在48 V電氣架構(gòu)下，加速阻力、車(chē)輛道路阻力和風(fēng)阻能得到削減。

48 V電氣架構(gòu)給車(chē)輛削減轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提供了潛力，如未采用雙質(zhì)量飛輪的車(chē)型。傳統(tǒng)汽車(chē)在設(shè)定飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)需要兼顧的一個(gè)因素是車(chē)輛的起步，48 V電機(jī)在車(chē)輛起步時(shí)可以提供電助力，因此飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以設(shè)定為更低數(shù)值。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，則車(chē)輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)降低，車(chē)輛旋轉(zhuǎn)部件所導(dǎo)致的加速阻力減小。

在48 V電氣架構(gòu)下，車(chē)輛線(xiàn)束等多項(xiàng)電子電器部件可以輕量化，電液式控制單元、水泵機(jī)油泵等傳統(tǒng)樣式泵類(lèi)可以被更輕的電機(jī)單元替代，皮帶、鏈條等許多零件得以取消，這些變化可促使車(chē)輛輕量化，降低道路阻力。

車(chē)輛懸架系統(tǒng)的各項(xiàng)電控技術(shù)需要高功率電器來(lái)驅(qū)動(dòng)，例如48 V電器。奧迪車(chē)48 V車(chē)型已運(yùn)用了主動(dòng)防傾桿功能。類(lèi)似地，懸架高度主動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)將有望獲得更多應(yīng)用。在高速和中等速度時(shí)主動(dòng)降低車(chē)輛高度，一方面可減小車(chē)輛正面投影面積(即迎風(fēng)面積)，另一方面可減少側(cè)向風(fēng)帶來(lái)的偏向力矩影響，兩者都有助于削減車(chē)輛行駛風(fēng)阻。

進(jìn)氣隔柵主動(dòng)關(guān)閉技術(shù)也有望從48 V電氣系統(tǒng)受益。當(dāng)進(jìn)氣隔柵導(dǎo)入氣流來(lái)對(duì)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)的部件散熱時(shí)，副作用是加大了風(fēng)阻。在應(yīng)用時(shí)，希望車(chē)輛冷起動(dòng)等行駛階段不會(huì)發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，而且希望發(fā)動(dòng)機(jī)盡快進(jìn)入熱車(chē)狀態(tài)，以縮短耗油偏高的冷起動(dòng)時(shí)段。因此，這時(shí)可以關(guān)閉進(jìn)氣柵[9]，即位于進(jìn)氣隔柵后面的特設(shè)部件被電機(jī)驅(qū)動(dòng)以達(dá)到分隔作用。48 V電機(jī)功率高，更適合用來(lái)驅(qū)動(dòng)隔板改變形態(tài)。

2 車(chē)輛能量回收系統(tǒng)更高效

采用上述技術(shù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要額外消耗車(chē)輛的電能。多數(shù)48 V電氣架構(gòu)不采取車(chē)外充電方案，所耗電能主要通過(guò)車(chē)輛制動(dòng)能量回收等技術(shù)手段來(lái)獲取。

2.1 更高效的制動(dòng)能量回收

在P2、P3、P4構(gòu)架下，制動(dòng)時(shí)車(chē)輛離合器可以處在斷開(kāi)狀態(tài)，車(chē)輛動(dòng)能不再被發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣耗費(fèi)，則可供回收的能量顯著增加。車(chē)輛動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)移到制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，變?yōu)殡娔艽鎯?chǔ)。另一方面，48 V電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化率更高，進(jìn)一步提升了回收的電量。目前48 V系統(tǒng)的電能管理方案通常安排12 V及48 V電池各1個(gè)，分別對(duì)應(yīng)于2個(gè)電氣架構(gòu)。48 V制動(dòng)能量回收可以供電給各個(gè)用電設(shè)備，使發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的情況減少，節(jié)約燃油。

2.2 主動(dòng)減振器等獲取電能

由于車(chē)輛綜合運(yùn)用多項(xiàng)手段所需的電量較大，在一些場(chǎng)景下電能耗費(fèi)會(huì)超出制動(dòng)能量回收的電能。當(dāng)制動(dòng)能量回收所獲得的電能不足時(shí)，就有必要擴(kuò)充電能獲取渠道，例如以道路行駛時(shí)的震動(dòng)作為能量源。實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段有2種：一是電液主動(dòng)減振器，它在被動(dòng)模式下發(fā)電，在傳統(tǒng)液壓懸掛上鏈接1套真空閥，將液壓桶吸收路面震動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能；二是機(jī)電式扭轉(zhuǎn)減振器eROT(圖8為eROT布置在車(chē)輛后軸狀況)，它由電機(jī)充當(dāng)阻尼器，取代傳統(tǒng)的液壓筒，電機(jī)阻尼力通過(guò)擺臂傳遞至吊耳及車(chē)輪，來(lái)抵消不平路面的震動(dòng)沖擊，有測(cè)試顯示eROT在德國(guó)的普通道路上回收功率能夠達(dá)到0.1 ～0.15 kW。eROT還能夠顯著縮小懸架的幾何結(jié)構(gòu)，調(diào)教自由度更寬。eROT技術(shù)所匹配的電機(jī)應(yīng)具有足夠的扭矩，在 48 V架構(gòu)下得以實(shí)現(xiàn)。

再者，太陽(yáng)能電池板等技術(shù)也是獲取電能的輔助手段。

圖8 機(jī)電式扭轉(zhuǎn)減振器eROT

3 48 V架構(gòu)車(chē)輛上電驅(qū)動(dòng)的各部件

除了上述各項(xiàng)功能以外，汽車(chē)的許多附件也由電力驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，耗電量較高的有外部照明燈具、電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ESP、車(chē)燈、電動(dòng)雨刮、音響系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇、方向盤(pán)電加熱、座椅主動(dòng)通風(fēng)、座椅加熱、風(fēng)擋玻璃電加熱、燃油泵、點(diǎn)火系統(tǒng)、車(chē)窗升降器、真空泵、后避震器等。上述電器運(yùn)行效果都有望受益于48 V電氣架構(gòu)下的低損耗及高功效，導(dǎo)線(xiàn)上的損耗可以減少為1/16。

座椅主動(dòng)通風(fēng)給乘員帶來(lái)的涼爽感受更為直接，乘員感覺(jué)涼爽了就會(huì)調(diào)低乘員倉(cāng)制冷量，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷減少，進(jìn)而達(dá)成節(jié)油效果[9]。在48 V電氣架構(gòu)下容許更高能效的風(fēng)機(jī)應(yīng)用。除了節(jié)油，座椅主動(dòng)通風(fēng)還提升了乘員舒適性。48 V電氣架構(gòu)利于提高汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)風(fēng)機(jī)和加熱單元的效率，空調(diào)系統(tǒng)電加熱部件的電線(xiàn)損耗可以顯著削減。但目前還難以判斷電力驅(qū)動(dòng)的空調(diào)壓縮機(jī)是否比由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)方式更節(jié)油。電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是與怠速起停之間不沖突，有利于乘員艙溫度保持。

電加熱催化器的節(jié)油效力仍有待研究。作為降低汽車(chē)?yán)淦饎?dòng)排放的方法，電加熱催化器、二次空氣等減排技術(shù)曾用于美國(guó)發(fā)售的多款車(chē)型上，后因成本原因而退出市場(chǎng)。近年來(lái)新車(chē)型大多應(yīng)用了推遲點(diǎn)火提前角等冷起動(dòng)減排策略，以犧牲大約幾十秒冷起動(dòng)時(shí)段里的油耗代價(jià)來(lái)?yè)Q得催化器溫度快速攀升起燃。研究顯示[10]：1.5 kW的電加熱催化器來(lái)替代推遲點(diǎn)火提前角時(shí)，也能把催化器起燃時(shí)間減少到54 s，但電加熱所消耗的電能折算為燃油量卻相當(dāng)于多耗油13%。當(dāng)然，如果這部分電能來(lái)自于上次行駛結(jié)束時(shí)的制動(dòng)能量回收，總體效果則是省油的。在傳統(tǒng)12 V架構(gòu)下催化器起燃時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 min左右，顯然不能應(yīng)對(duì)我國(guó)國(guó)五、國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)尾氣污染物限值；48 V架構(gòu)下催化器起燃時(shí)間有望縮減75%，則能及時(shí)發(fā)揮尾氣排放控制系統(tǒng)功能。當(dāng)然測(cè)試循環(huán)工況等因素也會(huì)影響電加熱催化器節(jié)油價(jià)值的體現(xiàn)。

4 48 V電器架構(gòu)的電池

48 V車(chē)輛運(yùn)用的技術(shù)不限于怠速起停，其電池的各方面性能應(yīng)該不遜于當(dāng)前怠速起停汽車(chē)所采用的AGM、EFB電池，例如高倍率放電特性、低溫特性、高溫特性、大電流充電特性等。若低溫下大電流充電特性不佳，秋冬季時(shí)北方地區(qū)車(chē)輛的制動(dòng)能量回收就受到制約。不耐高溫的電池在 48 V系統(tǒng)布置靈活度差，要規(guī)避發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)里高溫區(qū)域需專(zhuān)設(shè)散熱單元，不便應(yīng)用。除了保證電池性能，更要避免電池內(nèi)部組件在低溫、高溫環(huán)境下發(fā)生損傷乃至失控。從當(dāng)前已發(fā)布的48 V車(chē)型配置和文獻(xiàn)[11]來(lái)看，主流解決方案為鋰電池。例如長(zhǎng)安某款汽車(chē)采用了三元鋰電池，通用擬配套的萬(wàn)向公司A123磷酸鐵鋰電池采用了過(guò)磷酸技術(shù)。再者，從原理上看磷酸釩鋰和鈦酸鋰電池也很適合48 V系統(tǒng)。磷酸釩鋰電池低溫性能較優(yōu)，不過(guò)其批量化生產(chǎn)能力才剛起步。鈦酸鋰電池高倍率充放電特性和高、低溫性能優(yōu)良，而能量密度稍嫌不足。這幾種鋰電池近年來(lái)性能提升顯著，各有長(zhǎng)處，為48 V電氣架構(gòu)提供支撐。

在P1、P2、P3及P4架構(gòu)下，再考慮到用電附件配置的簡(jiǎn)略/豐富程度，鋰電池電量需求分布在一個(gè)較寬范圍內(nèi)。例如以10 s電池模塊功率為指標(biāo)，大體在12～27 kW。電池電量波動(dòng)范圍通常小于0.2 kW·h。出于成本考慮，在48 V系統(tǒng)投放市場(chǎng)初期鋰電池電量通常在0.25～0.5 kW·h范圍，例如博世公司的48 V電池，以及A123公司的0.37 kW·h電池。在P4架構(gòu)和電附件電功率大的車(chē)輛上，電量需求可達(dá)0.4 kW·h[1]，相應(yīng)鋰電池電量應(yīng)該在1 kW·h以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

得益于加嚴(yán)的汽車(chē)油耗限值和汽車(chē)控制技術(shù)的電氣化趨勢(shì)，48 V系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速。小微電機(jī)和鋰電池的性能提升給48 V系統(tǒng)提供了器件基礎(chǔ)。電池是48 V系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵要素，有多種鋰電可供選用。

48 V系統(tǒng)里，功率電機(jī)可用于電動(dòng)增壓器和電動(dòng)水泵、電動(dòng)油泵等附件，使發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高，輸出功率更大；用在P2、P3、P4部位的功率電機(jī)可達(dá)成弱混。更多規(guī)格控制電機(jī)布置在操縱發(fā)動(dòng)機(jī)的控制部件及傳動(dòng)系的各控制部件中，取代電液控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)更高效和傳動(dòng)系統(tǒng)功率損耗更少。再者，個(gè)別控制電機(jī)用于調(diào)節(jié)底盤(pán)形態(tài)或開(kāi)合進(jìn)氣隔柵，起到減少阻力效果。48 V系統(tǒng)電效率高的特點(diǎn)也使得座椅主動(dòng)通風(fēng)等間接節(jié)油手段更具可行性。將上述多方面的節(jié)油技術(shù)綜合起來(lái)可以顯著降低車(chē)輛油耗。

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ResearchOverviewof48VSystem’sFuelSavingPotentialforAutomobiles

QIAN Guogang， ZHOU Hua， FANG Maodong

(China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300, China)

Solenoid valve controlled hydraulic components are being substituted by eclectic motors in vehicles gradually. 48V system provides reliable framework for the devices composites of driving motors and control motors. ICE can achieve better fuel efficiency with the support of some 48V techniques, such as e-supercharger, intelligent cam phase adjustment, and variable compression ratio engine, etc. 48V system makes it feasible to drive cooling pump or oil pump by electric, so that the energy consumption could be reduced and engine structure could be simplified. The weakness of DCT and CVT transmission can be overcome by applying 48V control motors, while the power loss due to their auxiliary parts is reduced too. Coasting function may function properly in support of 48V system, and fairly amount of fuel can be conserved as the result of longer coasting. Active adjustment of suspension height and active grill shutter technique can also benefit from higher control voltage. More electric energy can recovered in brake phases by 48V motor, which will be released later to power many devices. Accessories can be of higher efficiency and better performance in 48V system, such as active seat ventilation. LFP, LVP, LTO and NMC lithium battery are choices for electric storage in 48V system. 48V system enables many techniques of fuel saving potential.

48V system；automobile; motor；fuel consumption

2017-06-29

中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)品檢測(cè)工況研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目

錢(qián)國(guó)剛(1977—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事汽車(chē)排放與節(jié)能研究，E-mail:qianguogang@163.com。

錢(qián)國(guó)剛,周華,方茂東.配置48 V系統(tǒng)后汽車(chē)的節(jié)油效益研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(12):28-35.

formatQIAN Guogang，ZHOU Hua，F(xiàn)ANG Maodong.Research Overview of 48V System’s Fuel Saving Potential for Automobiles[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):28-35.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.005

U463

A

1674-8425(2017)12-0028-08

(責(zé)任編輯林 芳)