博格瓦纳公司电动压气机的设计和应用

【德】　H.Breitbach　D.Metz　S.Weiske　G.Spinner

设计开发

博格瓦纳公司电动压气机的设计和应用

【德】H.BreitbachD.MetzS.WeiskeG.Spinner

摘要：博格瓦纳(Borg Warner)公司开发的电动压气机(电动增压器)是传统增压的1种补充方案，它能提高低转速范围内的增压压力，从而获得更好的起步加速性能，并且由于降低了排气背压和全负荷时的加浓需求，因而能提高功率和降低燃油耗。

关键词：电动压气机加速响应减排降油耗

1电动辅助增压具有吸引力

从20世纪60年代以来，在汽车工业中废气涡轮增压就批量应用于轿车，并相继在汽油机和柴油机上获得很大成功。废气涡轮增压能提高扭矩和功率，使发动机小型化和低速化，但是其加速响应性能却是1个挑战。除了改善废气涡轮增压器本身之外，曾试验过多种替代方案，例如废气涡轮增压器与机械增压器的组合、多个废气涡轮增压器串联、并联转换或者电辅助涡轮增压器等[1]。

从20世纪90年代以来，曾一再试验过电辅助增压装置。由于汽车上的12V电气系统，以及当时的功率电子器件和微处理器的发展状况，电辅助驱动功率只能达到2kW[2]，并且由压气机、涡轮、传动轴和电动机组成的电辅助涡轮增压器具有很大的转动惯量，在瞬态过程中其驱动功率在很大程度上被消耗在转子的加速上，同时汽车电气系统可供使用的能量也要比如今的少。

随着汽车电气化的增长、性能更好的功率电子器件，以及工作能力更强的微处理器的应用，使得电辅助驱动功率在12V时达到2.5kW，在48V时达到5kW水平，因此电辅助增压又再次具有吸引力，特别是电动压气机[3]。

2电动压气机在发动机上的应用

博格瓦纳(Borg Warner)公司已开发了1种电动压气机(电动增压器)，可用于改善低转速范围的增压压力和起步加速性能，并且由于没有附加涡轮产生的废气动压头，所以不会对发动机换气产生不良作用，这对于受爆燃限制的汽油机而言是至关重要的。电动压气机与废气侧没有联系，使其安装位置具有很大的灵活性，而且与多级涡轮增压相比，在废气后处理装置的加热及向发动机舱中的热辐射方面具有优势。

电动压气机优先选择布置于废气涡轮增压器压气机的后面。由于电动压气机的压力比其所必需的特性曲线场范围小，因而其消耗的功率较少，这样就能在较大的转速范围内进行电动增压。而电动压气机布置在废气涡轮增压器之前，废气涡轮增压器压气机可有效利用的特性曲线场范围会缩小，因为进气条件的变化使运行工况点向泵吸极限方向移动。

相对于使用同等功率废气涡轮增压器，电动压气机能改善起步加速性能，或者可在保持起步加速性能不变的情况下选用具有较小动压头性能的涡轮，从而能提高功率,并且由于背压较小和全负荷时加浓需求较少，在改善燃油耗方面也能获得好处。

表1比较表明了功率为2kW的12V电动压气机在柴油机上的潜力，其基本型是采用单级可变几何截面涡轮增压器(VTG)的2.0L发动机，对2种功率相同，分别采用VTG及串联转换电动压气机和两级涡轮增压的1.6L发动机进行比较(表1)。

表1　2款发动机方案比较

图1示出了对每种机型都进行了增压优化。1.6L发动机在废气涡轮增压器后和增压空气冷却器前安装了1个电动压气机，而在所谓的R2S(两级可调式)系统中高压级采用VTG废气涡轮增压器。

图1　3种机型增压优化后示意图

图2(a)示出了采用VTG增压器而无电动压气机的1.6L发动机的扭矩亏损，为达到目标功率，增压器在全负荷时采用了较高的增压压力，因而在部分负荷时能较快地达到泵吸极限，而采用电动压气机就能补偿所亏损的扭矩。图2还示出了为达到此目标，各自从汽车电气系统中所需要的电功率。

图2　发动机方案的全负荷比较和由电动压气机电功率附加的发动机功率(转速1400r/min)

图2(b)示出了在转速为1400r/min时由电动压气机电功率所提高的发动机功率。通过附加燃烧空气获得了约7～10的增力系数。随着空气质量流量的增大，涡轮功率也相应提高，VTG导向叶片能开得更大，这样就能提高涡轮效率，减少换气损失，从而降低燃油耗。

要使R2S系统达到目标扭矩，高压级要从废气流中取走的能量约为电动压气机消耗的电功率的2倍(图3(a))。如果电能来自于废气利用的话，那么在总的能量平衡中使用电动压气机是有利的，否则应采用R2S增压系统。

图3　R2S涡轮驱动扭矩与电动压气机的比较及在特定工况(1500r/min,25N·m)时的负荷突变

机型的加速响应性可用1500r/min转速时的负荷突变状况来进行评价(图3(b))。VTG导向叶片尽可能保持关闭(在离泵吸极限5%动力学间距时才打开)，而电动压气机转速则被调节到目标增压压力。扭矩曲线首先显示出2.0L机型的优势，而使用电动压气机则能增大扭矩曲线的斜率，而且能比2.0L机型，甚至比采用R2S增压系统的1.6L机型更快地达到全负荷扭矩，当然R2S增压系统能保持较高的稳态增压压力，这是使用电动压气机所无法达到的。

图4示出了FTP-75行驶循环中电动压气机消耗的电功率，这是用单位功率质量为13kg/kW和6档变速器的高级轿车纵向动力学模型计算得到的。电动压气机的功率为2kW，怠速运转转速为6000r/min，在行驶循环中所需的平均电功率约为210W。电动压气机大约有一半时间处于怠速运转状态，若这些时间停机的话，则可节省13W功率。配备电动压气机时可采用较大的低压EGR行驶，并在换气方面得到好处，从而可获得4%的燃油耗优势，与R2S机型相比仅在氮氧化物(NOx)排放方面略有逊色，但在颗粒排放方面略有优势，过量空气系数停留在碳烟极限的时间可减少约5%。

图4　FTP-75行驶循环中的电动压气机的电功率及电动压气机从基础转速和停车状态开始的加速过程

3对电动压气机的要求

从电动压气机的功能就可明确地得知设计的要求： (1) 驱动电机具有最小的转动惯量；(2) 较小的电能和机械能损失；(3) 电动机必须能可靠地经受热负荷；(4) 采用整体式功率电子器件；(5) 高效的功率电子器件(在5kW功率情况下，每1%的效率损失就意味着50W热量)；(6) 用于12V和48V的电动压气机方案采用模块化；(7) 在设计时必须考虑到噪声-振动-平顺性(NVH)。

4电动压气机的设计

上述要求对于电动压气机的设计方案具有决定性意义。选择无刷永磁式电动机作为驱动装置，因为它比异步电动机或开关磁阻式电动机更为高效。为了能长时间通电运转，电动机必须能耐高温，因而选用了钐-钴磁铁，在温度高达300℃时磁性仍能保持稳定。

同时,这种类型的电动机不会磁化功率电子器件,这会对其结构尺寸和功率损失产生有利的影响。此外，设计这种电动机时应注意，旋转电机的扭矩要均匀，间歇扭矩也就是从电动机发出的高频噪声激励要小。

图4示出了电动机从怠速6000r/min开始和从停车位置快速起步加速的状况。从怠速运转开始加速，230ms后就达到了90%的目标转速，而从静止位置开始加速，250ms后达到了90%的目标转速。其电子器件和轴承被设计得电动压气机能长时间在怠速下运转或处于停机状态。

在设计运转转速时应注意，转子消耗的能量是随着转速成二次方增加，因此在快速起步加速时间较短的低速电动机和大压气机组合与较小的高速电动机和起步加速时间较长的压气机组合之间进行优化选择。

采用70000r/min转速进行折中选择，最终获得了总体尺寸十分紧凑的，并与电动机和压气机侧直径大致相同的电动压气机装置，在螺旋转子直径为135mm的情况下，48V电动压气机的总长约为170mm(包括压气机接口在内)。

为了满足高的可用性和长的通电运转时间的要求，定子同样也通过高的铜填充量和对壳体的良好散热进行了热优化。为了减少散热，功率电子器件使用了最小电阻等级和高效电容器的结构元件，并被集成在CAN总线接口中，印刷电路板与壳体的良好连接确保了高效的散热。

为了冷却零件，曾试验过空气冷却和水冷却，而考虑到方便性最终选用了空气冷却。当然，空气冷却仅够用于12V电动压气机，而48V电动压气机只有采用水冷却才能满足目标要求。

采用这样的设计方案最终使电动压气机达到了卓越的性能。表2示出通电和运转时间的典型数值，根据冷却水和冷却空气的温度以及汽车上的环境温度的不同数值可能有所变化。在总体上最有利的运行条件下，48V电动压气机的持续功率约为 2kW。

为了确保电动压气机在汽车上应用时始终处于良好的可用状态，博格瓦纳公司已开发了1种模拟计算方法，它能可靠地预测电动压气机的温度和可用性。在此基础上能够实现负荷管理，较低的电流消耗是48V电动压气机的优点。为了能用于排量较大的发动机，以及在起步加速性能和燃油耗方面获得较大的好处，需要电动压气机具有较大的功率。通过模拟计算可查明所需求的能量，以便尽早检验电气方面的设施。

表2　博格瓦纳公司电动压气机产品技术规格

5结论

博格瓦纳公司的电动压气机为传统增压提供了1种补充方案，在发动机低转速时就能在非常短的时间内准备好增压压力，明显改善了发动机的加速响应特性，因此电动压气机也为内燃机开辟了提高功率的潜力。在由电动压气机和涡轮增压器组成的整个系统设计得合适的情况下，特别是在柴油机上能够降低燃油耗和有害物排放。

参考文献

[1] Arnold S, et al. Design and development of e-Turbo for SUV and light truck applications[C]. DEER-Konferenz,2004.

[2] Münz S, u.a. Der eBooster-konzeption und leistungsvermögen eines fortgeschrittenen elektrisch unterstützten aufladesystems[C]. 7. Aufladetechnische Konferenz, Dresden,2002.

[3] Spinner G, et al. BorgWarner’s ebooster the new generation of electric assisted boosting[C]. 18. Aufladetechnische Konferenz, Dresden,2013.

范明强译自MTZ，2015，76(10)

何丹妮编辑

(收稿日期：2015-11-24)