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SYSTEM汽车技术的又一次革命

SYSTEM汽车技术的又一次革命

卫东

自2016年1月1日起,中国开始实施第四阶段平均燃料消耗标准,标准规定:至2020年,乘用车产品的平均燃料消耗量降至5L/100km,对应CO2排放约为120g/km。目前,全球汽车产业达成的共识是:在发动机和传动系统技术整合领域,技术改进已经接近极限,没有进一步电气化,将无法达标。法雷奥早在2004年就全球首创了汽车自动起/停系统,并为法雷奥在48V混合动力系统领域的领导地位奠定了基础,为实现中国第四阶段平均燃料消耗标准做了良好的铺垫。

法雷奥48V动力系统

为了帮助汽车制造商降低产品能耗和CO2排放,法雷奥提供了丰富的技术解决方案,包括从起/停和电子增压器技术到纯电动汽车的动力总成系统技术解决方案。法雷奥研发了多种48V混合动力系统,使这些系统适用于所有车型,尤其适用于入门级轿车和中档轿车。在2016年4月份的北京国际车展上,法雷奥展示了e4Boost 48V动力总成系统,如今该系统已经落地中国,并于2017年实现量产。

这套e4Boost系统由48V iBSG起发电一体机、48V电子增压器、增强型制动能量回收系统、DC/DC(直流/直流转换器)和48V电池构成。它的核心优势包括了:e4Boost 48V动力总成系统在提升发动机效能的同时,降低车辆燃油消耗和CO2排放。该系统最高可帮助车辆提升25%的燃油经济性,并可帮助车辆提升20%的加速性能。e4Boost 动力总成系统全方位适用于所有级别的车型,可适用于各种型号的汽油发动机和柴油发动机,尤其适用于都市类轿车和紧凑型轿车。法雷奥e4Boost 48V动力总成系统很适用于中国汽车市场,它能有效帮助汽车制造商们达成“至2020年,新车平均油耗降至每百公里5L”的产业既定目标。

核心部件之一是48V iBSG起动/发电一体机。iBSG是适用于48V系统的皮带传动式起动/发电一体机。iBSG安装于发动机前端,与传统发电机体积相当。由于其同时具备了传统发电机和起动机的功能,且非常便于集成安装,因此,这种集成电控的电机将进一步推動传统能源发动机的小型化和轻量化。

iBSG将帮助大多数量产车型实现高端车型的混合动力系统功能,主要包括:支持汽车起/停和滑行起/停(包括在高速行驶状态下的滑行)功能;为车辆提供制动能量回收和辅助扭矩;优化汽车变速器的换挡策略,为车辆提供更好的性能和燃油经济性;iBSG最高可为车辆提供12kW的辅助功率,在车辆起步时输出高扭矩,在车辆低速行驶需要加速时,为小型发动机提供补充动力;在不影响驾乘舒适性的前提下,提升车辆燃油经济性,降低约15%的油耗。

核心部件之二是48V电子增压器。为保证发动机输出功率不变,发动机小型化技术通常会采用废气驱动的涡轮增压装置,但会导致“涡轮迟滞”现象。法雷奥48V电子增压器一举克服了“涡轮迟滞”现象。与废气驱动的涡轮增压不同,采用磁阻开关技术的电子增压器,由电机驱动,可做到几乎完美的即时响应(250ms以内)。作为涡轮增压系统的补充,电子增压器在提升驾驶舒适性的同时,能提升27%的加速度。如果进一步结合法雷奥的能量回收系统,法雷奥电子增压器可提供一种低成本的混合动力解决方案,节省15%至20%的油耗。

法雷奥e4Sport系统作为e4Boost升级版也在2016年的巴黎车展全球首度亮相。该系统在e4Boost的基础上,又集成了“后轴驱动电机”,最大程度地回收了车辆制动能量并将其储存在48V电池中,使其能够为车辆再利用。回收的能量主要用于:通过起动机,增加发动机的扭矩输出;通过电子增压器,在车辆加速阶段,发动机动力输出最大化;在纯电模式下行驶,以及当车辆抓地力不足时,通过48V eRAD系统和车辆后轴的连接,提升车辆性能,有效地将车辆转为四驱模式。法雷奥致力于将诸多开创性技术优化集成,为汽车制造商们达成“至2020年,新车平均油耗降至每百公里5L”的产业既定目标。

舍弗勒对于48V车载电力系统的解读

为了克服传统高电压混合动力系统峰值功率短暂的弊病,舍弗勒开发了48V车载电力系统。在当前阶段引入48V系统是很好的机会,其价格适中,并且在该电压水平下,驱动电机可以多产生15kW的功率输出。另一点是48V系统有着相对较低的安全要求,对于48V车载系统的部件不需要单独地接触保护。如果采用约125Wh的小型锂离子电池,就可以达到纯电方式进行低速、短距离行驶,如在泊车或走走停停的交通状况。

舍弗勒在开发两种48V混合动力驱动方案。在以往的混合动力车型中,将电机集成到自动变速器并取代液力变扭器已经被证明是一个不错的解决方案,因为它不需要额外的设计空间。如今,利用48V系统也可以达到同样的效果。另一种方案是采用48V电桥,这样可以使传统的动力总成可以完全不变,除了发动机控制系统以外,48V系统可以通过各种形式被集成到动力总成中,可以与前驱、后驱和电子四驱搭配。

48V电桥具有较高的性价比和较低的触电保护等级,如集成12kW的48V电桥可以降低15%的整车油耗。舍弗勒开发了48V电桥系统,由电机、两级行星齿轮组和一个机电式的换挡执行机构组成。因为高度集成的设计,48V电桥可以集成到不同的整车架构中:前置前驱、前置后驱和四驱。为了实现低车速时的纯电行驶,电桥采用了非常大的速比19.6∶1,而为了确保在更高的车速(如80km/h)时的混合动力功能,二挡选择了较小的速比4.4∶1。

大陆集团针对中国市场推出48V微混

2016年8月,大陆集团在中国展出了专为中国市场量身打造的48V微混演示车。以中国知名品牌MPV多功能车为基础的大陆集团中国首台48V微混演示车上安装了大陆集团48V环保驾乘系统。该演示车目前处于第一阶段,在新欧洲行驶循环测试中显示平均最高可达13%节约能耗。

此项新型混合动力技术由三部件构成: 一台集成逆变器的电机(取代12V发电机)、一块48V锂离子电池以及一台用于在两套车载动力系统中进行能量交换的转换器(直流/直流转换器)。该系统能够方便地集成到装有常规驱动系统的车辆中,而与此同时又能让后者拥有目前只有在高压混合动力系统中才能见到的强大功能,如驾驶过程中滑行时关闭发动机,实现超快而舒适的发动机起动以及高效的制动能量回收功能等。大陆集团这项新技术在2016年年底由欧洲汽车厂商首次进行量产,中国及北美自由贸易区汽车厂商将紧随其后。

大陆集团计划到2020年时推出全新48V系统,预计可将油耗再降低7%。面向2020年以后的其它48V配置的解决方案是进一步增强高效优势,同时减小装机空间、减轻重量 ,同时又不会增加成本。当48V汽车与大陆集团的电子地平线系统连接后,依托联网能量管理系统(cEM),能耗可再降3%~4%,车辆行驶能效也同时得以进一步提升。车辆可接收高分辨率路况信息,并据此调整行驶方案。

高效内燃机与电气化技术驱动未来智能交通

在2016年的博世技术体验日上,博世也展示了48V电池低压混合系统。48V系统包括助力回收电机、DC/DC转换器和48V电池,其中,48V电池是核心组件。车辆制动时,48V电池可以储存回收的制动能,而后直接将其提供给车辆驱动装置,并供应给车辆电气系统。车辆减速时,助力回收电机回收能量,并将其储存到电池中。该能量可用于提供动力辅助和稳定车辆电气网络。博世48V电池具有设计紧凑、布置灵活、实现静音运行、无需额外冷却装置、易于车辆系统集成的特点。同时,该电池性能可靠,使用寿命长。

对于梅赛德斯-奔驰来说,已经计划全面推出48V车载电力系统。奔驰正在推出不知疲倦的新一代马达/发电机。皮带驱动的新一代马达/发电机RSG(belt-driven starter generator)就像传统内燃机的發电机一样,在驾驶中,它会协助启动内燃机、协助加速和回收能量。它使用了传统的发电机安装位置,不会影响动力系统的原设计。对于48V动力系统来说,在RSG 的现有平台上实现对接十分轻松。

对于结合在一起的集成起动/发电机ISG(integrated starter generator) 来说是一个安装在发动机与变速器之间的强大电动马达。集成起动/发电机取代了传统内燃机的发电机和起动马达,它会协助内燃机达到更高的效率和能源利用率,如在加速时、高效率能量回收时。尤其是使用了48V电瓶后,会带来更好的燃油效率。

48V车载电源能提供原12V电瓶4倍的电能,但它并不需要高电压混合动力电源系统的附加安全保护结构。此外,这种48V的低电压电池系统将能够储存足够的电能来驱动电机,这可是以前被高电压混合动力技术所垄断的专属领域。因为48V电池具有了混合动力的功能特点:能量回收、助力、采用电动机驱动车辆模式,实现了首次在没有高压部件的情况下的强混合动力功能。此外,因为这种起动机拥有非常好的耐用性,可以让车辆在行驶中更频繁地关闭、起动发动机,如当车辆逐渐减速停车时,或者车辆滑行时,在任何不再需要额外动力的时候,而在车辆高速行驶时只要驾驶员一抬起油门踏板就会实现发动机停止做功的节油模式。

还会有更多的车辆电能消耗系统受惠于集成的车载48V电源系统,如自动空调控制系统、电加热部件或者是电风扇。在做功完全相同的情况下,电流只是传统部件的1/4。这意味着传递电能的线束可以做得更薄或更细,带来的是更轻量化的设计——这也会直接带来节能减排的收益。

除了减少燃料消耗和CO2排放,48V车载电源供应也带来了更好的舒适性,这是因为48V的车载电源带来了不管发动机是高速运转还是怠速运转都非常平滑的优势。这更有利于控制发动机启动时的NVH特性,可以让你几乎感觉不到发动机启动,发动机的再次运转给你的感受就像发动机从来没有停止过。48V车载电源系统也为娱乐信息系统和驾驶辅助系统的进一步扩展铺平了道路。

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