钱国刚,周 华,方茂东
(中国汽车技术研究中心, 天津 300300)
配置48 V系统后汽车的节油效益研究
钱国刚,周 华,方茂东
(中国汽车技术研究中心, 天津 300300)
“电机取代电液”是汽车控制技术的发展趋势,48 V系统提供了合用的功率电机及控制电机部件。电动增压、智能化凸轮相位调节、变压缩比发动机等发动机节油技术都受益于48 V电机。发动机水泵和机油泵改成48 V系统驱动,可减少功耗并简化结构。48 V电机的操纵性能使双离合变速、CVT等达成快速响应,也削减了变速器伺服件上的动力损失。48 V电气支持“断离合滑行”模式,免除了车辆缓减速时的发动机泵气损失,滑行距离大幅延长。48 V有利于削减车风阻技术的实现。制动时48 V电机对车辆动能回收更多,给车辆提供电力来源。座椅主动通风等各附件在48 V电气下更高效,有节油效果,使用舒适感更优。磷酸铁锂、磷酸钒锂、钛酸锂及三元锂电池可以作为48 V电气架构的电池。因此,有节油潜能的多项技术手段依托于48 V系统。
48 V系统;汽车;电机;油耗
在下一阶段燃油经济性/CO2排放标准推动下(美国(2017—2025)、欧洲(2020—)、中国(2021—2025)),为进一步降低内燃机动力汽车油耗,许多汽车制造商在高于12 V电压的电辅助技术蓝海里寻求手段。与强混、中混相比,40 V上下的电气架构均衡兼顾了配件成本、节油效果和乘员用电安全,与当前制造平台承继性佳,市场优势突出。这一技术路线曾遭挫折,例如1990—2004年间42 V电源工作组倡导的42 V标准ISO/DIS 21848—2004(名义电压为36 V)无疾而终。现今新开发的很多节油技术要由数千瓦级电机驱动,欧洲多家企业联合于2011年提出推荐性标准LV148,即48 V标准(名义电压48 V)。近2年来,加入48 V车型研发的车企越来越多。
汽车行驶时发动机负荷和转速变化频繁,子系统要给出瞬态响应,因此多采用可控性强、瞬态响应快的电执行器,例如电液机构、电机机构等。传统12 V电气规格足以驱动电液机构的电磁阀,借助液压来驱动机构完成操控动作。然而12 V电压无力驱动一些功率较高的功率电机及控制电机,相应的节油技术就无法采用。近年来48 V规格工业级器件、小微电机发展成熟,在技术水平及成本上已适合用作汽车配件。“电机取代电液”正成为汽车技术动向。从12 V升级到48 V,功率电机及控制电机的电功率上限值从3~5 kW(峰值6 kW)扩展至高于20 kW[1-2],大大拓展了其发挥效用的场合。该技术主要应用于直接耦合驱动力、辅助提高发动机燃效(电动增压、可变气门技术和可变压缩比技术等)、发动机附件的电气化(电子水泵、电子机油泵等)、减小阻力、改善传动系运行状况、电液系统替换为电机执行等。
48 V电机的功率水平已适合用作车辆驱动力辅助来源,例如短时用于电助力、电爬行等。当48 V电机提供额外驱动力时,依其所处位置可以分为P1~P4等4种方案[2-3],如图1所示。各方案都能实现电助力功能,P2、P3和P4方案还可实现电爬行功能。电助力功能使发动机工作在更高燃效的工况点,能降低油耗。电爬行的节油功效与混合动力汽车的节油原理相同。对于配备双离合变速器的车辆,P3、P4方案里的电爬行功能有助于避免起步低速时离合器片过热及传动顿挫问题。上述功能在12 V系统里则不便达成。
图1 电机直接耦合驱动力
近年来有多项提高汽油发动机燃效的技术获得了广泛应用,例如从热力学角度出发的可变气门技术以及涡轮增压技术等。48 V电气架构使这些节油技术得以“落地”。
1.2.1 电动增压器
汽车废气涡轮增压技术能降低燃料消耗率3%~10%,然而低速时发动机有限的废气量不足,无力推动涡轮高速旋转,位于进气道正中央的涡轮压缩端叶片反而阻滞了进气,导致转矩特性被抑制,燃油效率不佳。当前的改善手段例如零件轻量化、采用大小双涡轮、应用可变几何截面涡轮使迟滞效应有所缓解,但不能消除。市区工况走走停停,低车速多,受制约更明显。
电动增压器是一项改进手段,由独立的电机拖动压气机向发动机进气端增压补气。零部件公司CPT在2000年提出可变扭矩增强系统VTES(variable torque enhancement system),近年来又开发了12 V电压(功率2 kW)的电动增压器,但性能不适合车用(见图2里箭头所指曲线),压气机的质量流量和增压幅度之间为此消彼长,解决办法是提高电功率,即升级到48 V。
图2 12 V及48 V下电动增压器特性
法雷奥给新款柴油车奥迪SQ7配套了48 V的7 kW功率电动增压器,响应时间小于0.25 s,最高转速 60 000~70 000 r/min,其主体结构为开关磁阻电机配合离心压轮,电机转动惯量小,离心压轮可达成较大增压比。电动增压器与传统涡轮增压器组合应用的一种方案见图3。电动增压器在发动机低转速时可以瞬态提速,通过该分支的气流量由旁动阀切换来加以控制。工作时,电机驱动压气机增加进气量,迅速提供大扭矩。当发动机为高转速时,整套增压系统又切换到废气涡轮增压。在电增压时段里,发动机能额外输出的功率为电动增压器本身消耗能量的3~5倍[3],总体可节油2%~3%。
图3 电动增压器与传统涡轮增压器组合应用的一种方案
英国Aeristech公司2015年发布了最高转速可达150 000 r/min的电动增压器原型机,其由具有低惯性特性的永磁开关电机来驱动离心式压气机,响应时间小于0.4 s[4]。MAHLE动力公司将其装在一款1.2 L三缸汽油机上,实现了250 kPa持续增压。
博世、霍尼韦尔、三菱、博格华纳、皮尔博格、博世马勒等零部件公司也在积极开发电动增压器。奔驰、马自达、大众、韩国现代等整车公司也宣称将运用此项技术。
1.2.2 可变气门技术
可变气门技术通过调整配气相位等手段来提高充气效率,优化汽油发动机的热力学特性,削减热量损失和泵气损失,可显著提高直喷汽油机的燃烧效率。相位调节的实现手段有:“凸轮轴调相器”“凸轮轴调相器+电液挺杆”“凸轮轴调相器+凸轮移位+电动执行器”“机电凸轮轴相位调节装置ECP”“凸轮轴调相器+电机控制中间轴”“电液系统”等。ECP部件由特制的低长径比无刷直流电机和一个高减速比齿轮组组成,可以提升凸轮轴调整效率和精准度[5],能对怠速起停发动机正时驱动负荷特性改变作出配合响应。该技术优势显著:不受低温时机油黏度增大的制约;动态响应快;可达成更理想的残余废气百分比;无需液压储压器部件等,但成本制约了该技术的应用。舍弗勒2006年将ECP技术引入奥迪车型,有预测认为当其费用小于或近于液相调压器时将替代后者。特制电机是导致其成本加倍的主要因素,48 V 电机运用到ECP上可望降低成本。
全可变气门可以进一步实现气门升程调节,例如宝马Valvetronic系统等。更前卫的一些方案可以使进气门的作动不再依赖曲轴传递来的动力,操控更灵活。这些方案分为电磁阀液压操纵及电机操纵2种。电磁阀液压操纵的范例有菲亚特与舍弗勒2009年联合推出的Multi-Air/UniAir;电机操纵的有Camcon Automotive公司新近推出的IVA控制机构。后者由电机驱动小凸轮轴带动摇臂推动气门,免除了发动机驱动力在凸轮轴上的直接消耗。48 V电机更容易达成此作动。该公司预期IVA能使油耗下降8%,实现更高功率,提高低转速下的扭矩。
1.2.3 可变压缩比技术
可变压缩比技术能兼顾发动机效率目标与抗爆震目标:以高压缩比应对低负荷工况,提高效率;以低压缩比用于高负荷工况以抑制爆震。VC-T技术方案即是其一,它以固定在发动机侧壁的步进电机带动一套杠杆机构从而使连杆在不同状态间切换,达成8∶1(高性能)到14∶1(高效能)之间任意比率的压缩比。预期首款车型将是2017年末投产的英菲尼迪QX50。调节机构由步进电机或伺服电机控制,特性曲线受电压值影响。图4显示步进电机的保持扭矩数值随转速升高而降低。电压仅为12 V时,在设计时不得不在转速与力矩之间有所折衷,而48 V电气架构赋予设计更大灵活性。直流无刷电机类伺服电机的扭矩随直流母线电压及占空比的增大而增大。与12 V 相比,48 V拓宽了电机调节能力。
图4 步进电机在不同电压下的扭矩特性
传统上,发动机曲轴输出的驱动力有少部分被水泵、机油泵等发动机附件和空调压缩机等其他附件消耗掉。改用其他机构来驱动就可以避免这些损耗。汽车使用时其水泵要持续运行,改换成电动水泵时应选配的电机功率为0.4~1 kW。48 V电气架构下电机效率高,能实现这一驱动功率。48 V电动水泵不仅更便于发动机热管理和减少能耗,还简化了车辆构件,减少了组件单元和减轻了车质量,有助于轻量化。12 V电动水泵曾用在宝马公司2005年的N52系列汽油机和奥迪公司的个别车型上。随着48 V电气架构的应用,电子水泵将逐步取代传统的机械水泵。
发动机机油泵的电气化是另一项节能选项。有实验研究显示:在一款1.5 L柴油机的机油泵上进行的机油压力控制优化,仅通过降低在活塞部位冷却方面的油压就降低了4.5%油耗,而降低曲轴上转轴部位油压也使小负荷工况下的油耗率降低4.5%[6]。48 V电气下的油泵能够更便捷地实现这些控制。
车辆传动系依托变速器等部件输送驱动力,变速器、离合器的操纵机构对传动效果影响甚大。操纵机构可以是电气液压控制,也可以是电机控制。12 V电机性能不佳,汽车行业只得选用电液控制。电液控制机构缺点较多:质量大、加工难度大、功耗多、液压油清洁度要求高、低温时液体黏度特殊、难于维护。48 V电气架构使得电机功率达到十几千瓦,性能则与电液控制相当。
某些电液控制装置里产生压力的动力源即电机和油泵,也同样可以受益于48 V电气架构的高能量转化率。
1.4.1 自动变速器的换档执行机构
双离合变速器有优良的动力性和节油能力,配套量迅速增长。双离合变速器执行机构主要分为电液控制滑阀箱及电机操纵2类。液压滑阀箱以其可操控性好的优势成为当前12 V电气架构下的主流解决方案,然而它也有一些不足,例如控制结构复杂、控制精度受液压油制约、系统可靠性稍逊等。
电机操纵方式其中一个实例为6DCT250-干式,其以2组离合机构分别控制双离合变速器的2个离合片,其中一组的驱动力传递如图5所示。电机控制丝杠以正反转、转速等作动来推拉螺母,牵拉传动机构完成离合器片的结合、半结合、完全分离等动作。
图5 电机操控离合器片状态切换的机构
此方案结构简单,控制方式更为直接,具有可靠性好、便于维护等优点。传动轴减为2轴,减低了摩擦损耗,有助于提升燃油经济性。另外,它的响应时间不及电液控制滑阀箱,后者响应时间为仅数毫秒,而电机操纵方案里12 V电压电机性能局限,致使操作臂建立压力时不像液压滑阀箱控制得精准,在操作臂压力释放时反应不够快速。
格特拉克等双离合变速器厂家采用电机操纵技术路线,如图6所示。换挡拨叉控制单元也由电机驱动,2个步进电机分别控制单数挡位转动鼓及双数挡位转动鼓,动力由圆柱凸轮机构传递,推动换挡拨叉直线往复运动。结构简单紧凑是此方案的一个优点。
若从12 V换到48 V电气架构,电机执行器输出的力矩可望提高数倍,则可以克服操控性上的弱点,得到更广泛的应用。
除了双离合变速器,CVT变速器也同样有望从48 V电机操纵上受益。
传统上,金属带式无级变速器CVT 系统工作时由电磁阀液压系统来保证发动机转矩传递和实现速比变化。夹紧力控制阀的作动依托于加压液压油,而速比控制阀采用电磁换向阀或液压驱动。若能把由消耗发动机驱动力的加压油泵也去除掉,就可以进一步减少损失,提高传动系统效率。2010年以来多篇文献介绍了电机操纵夹紧力方案[7-8],其中一例如图7所示。
图6 电机操控换挡拨叉状态切换的机构
图7 电机操纵夹紧力的CVT
图7中:电机1功能是控制速比,其中一种方案采用3级齿轮减速和1级螺旋传动减速;电机2功能为夹紧力调整,例如某设计里设定电机最大扭矩为0.5 N·m,则要先经由减速传动比为100的齿轮组,然后由丝杆螺母机构把转动转化为直线位移。传动系的输入扭矩突变或CVT速比迅速变化都会使从动盘的需求夹紧力发生较大变化。从图4的12 V特征曲线推测,匹配传动比为100的减速齿轮组的目的是提升扭矩进而达到大的夹紧力,但大减速比牺牲了机构动态响应。
电机控制的CVT与怠速起停更匹配。当前电液执行控制器工作依赖于发动机动力建立的液压,怠速起停车型的CVT变速器机构不得不额外设置一套电动油泵部件组来保持液压,以应对停车时或车辆刚起步时的换挡需求,导致在成本、能耗和可靠性方面有所不足。由电机操控的CVT没有这些弊端。与12 V时相比,48 V电气架构下电机操纵机构减速比更为优化,齿轮个数少,整套机构动态特性水平可望提升到与电液控制相当。
电机控制的另一潜在优势是避免了电液操控系统的过热问题:在行驶工况负载长期频繁变换时,一些CVT车型电磁阀液压系统作动生热过多,而其密闭性的结构又使得热量难以及时有效地转移给润滑油,热量积累触发热保护策略,使车辆进入跛行模式。
1.4.2 自动变速器之外的传动系部件
电机替代电液系统执行控制器是一项应用。除此之外,与驱动力传递相关的其他技术手段还有应用传动系主动预加热来减小低温环境时阻尼的技术等。“断离合滑行”从传动系统入手来削减阻力:在缓减速工况下,车辆控制系统主动断开离合器,发动机停转,车辆泵气损失也就不再发生。其效果类似于手动挡车辆的“N挡”滑行,滑行距离大幅延长,从而降低油耗。保时捷公司的“coasting” 滑行技术已获得欧盟ECO-innovation认证。
汽车理论说明,车辆消耗燃油获得驱动力,通过克服4项阻力来驱动车辆。在48 V电气架构下,加速阻力、车辆道路阻力和风阻能得到削减。
48 V电气架构给车辆削减转动惯量提供了潜力,如未采用双质量飞轮的车型。传统汽车在设定飞轮转动惯量时需要兼顾的一个因素是车辆的起步,48 V电机在车辆起步时可以提供电助力,因此飞轮的转动惯量可以设定为更低数值。转动惯量减小,则车辆旋转质量换算系数降低,车辆旋转部件所导致的加速阻力减小。
在48 V电气架构下,车辆线束等多项电子电器部件可以轻量化,电液式控制单元、水泵机油泵等传统样式泵类可以被更轻的电机单元替代,皮带、链条等许多零件得以取消,这些变化可促使车辆轻量化,降低道路阻力。
车辆悬架系统的各项电控技术需要高功率电器来驱动,例如48 V电器。奥迪车48 V车型已运用了主动防倾杆功能。类似地,悬架高度主动调节技术将有望获得更多应用。在高速和中等速度时主动降低车辆高度,一方面可减小车辆正面投影面积(即迎风面积),另一方面可减少侧向风带来的偏向力矩影响,两者都有助于削减车辆行驶风阻。
进气隔栅主动关闭技术也有望从48 V电气系统受益。当进气隔栅导入气流来对车辆发动机仓的部件散热时,副作用是加大了风阻。在应用时,希望车辆冷起动等行驶阶段不会发生发动机过热,而且希望发动机尽快进入热车状态,以缩短耗油偏高的冷起动时段。因此,这时可以关闭进气栅[9],即位于进气隔栅后面的特设部件被电机驱动以达到分隔作用。48 V电机功率高,更适合用来驱动隔板改变形态。
采用上述技术实际运行时需要额外消耗车辆的电能。多数48 V电气架构不采取车外充电方案,所耗电能主要通过车辆制动能量回收等技术手段来获取。
在P2、P3、P4构架下,制动时车辆离合器可以处在断开状态,车辆动能不再被发动机泵气耗费,则可供回收的能量显著增加。车辆动能的一部分转移到制动能量回收系统,变为电能存储。另一方面,48 V电机的能量转化率更高,进一步提升了回收的电量。目前48 V系统的电能管理方案通常安排12 V及48 V电池各1个,分别对应于2个电气架构。48 V制动能量回收可以供电给各个用电设备,使发动机驱动发电机发电的情况减少,节约燃油。
由于车辆综合运用多项手段所需的电量较大,在一些场景下电能耗费会超出制动能量回收的电能。当制动能量回收所获得的电能不足时,就有必要扩充电能获取渠道,例如以道路行驶时的震动作为能量源。实现的技术手段有2种:一是电液主动减振器,它在被动模式下发电,在传统液压悬挂上链接1套真空阀,将液压桶吸收路面震动产生的能量转化为电能;二是机电式扭转减振器eROT(图8为eROT布置在车辆后轴状况),它由电机充当阻尼器,取代传统的液压筒,电机阻尼力通过摆臂传递至吊耳及车轮,来抵消不平路面的震动冲击,有测试显示eROT在德国的普通道路上回收功率能够达到0.1 ~0.15 kW。eROT还能够显著缩小悬架的几何结构,调教自由度更宽。eROT技术所匹配的电机应具有足够的扭矩,在 48 V架构下得以实现。
再者,太阳能电池板等技术也是获取电能的辅助手段。
图8 机电式扭转减振器eROT
除了上述各项功能以外,汽车的许多附件也由电力驱动运转,耗电量较高的有外部照明灯具、电助力转向系统、ESP、车灯、电动雨刮、音响系统、发动机冷却风扇、方向盘电加热、座椅主动通风、座椅加热、风挡玻璃电加热、燃油泵、点火系统、车窗升降器、真空泵、后避震器等。上述电器运行效果都有望受益于48 V电气架构下的低损耗及高功效,导线上的损耗可以减少为1/16。
座椅主动通风给乘员带来的凉爽感受更为直接,乘员感觉凉爽了就会调低乘员仓制冷量,空调系统负荷减少,进而达成节油效果[9]。在48 V电气架构下容许更高能效的风机应用。除了节油,座椅主动通风还提升了乘员舒适性。48 V电气架构利于提高汽车空调系统的各个风机和加热单元的效率,空调系统电加热部件的电线损耗可以显著削减。但目前还难以判断电力驱动的空调压缩机是否比由内燃机驱动空调压缩机方式更节油。电驱动压缩机的优点之一是与怠速起停之间不冲突,有利于乘员舱温度保持。
电加热催化器的节油效力仍有待研究。作为降低汽车冷起动排放的方法,电加热催化器、二次空气等减排技术曾用于美国发售的多款车型上,后因成本原因而退出市场。近年来新车型大多应用了推迟点火提前角等冷起动减排策略,以牺牲大约几十秒冷起动时段里的油耗代价来换得催化器温度快速攀升起燃。研究显示[10]:1.5 kW的电加热催化器来替代推迟点火提前角时,也能把催化器起燃时间减少到54 s,但电加热所消耗的电能折算为燃油量却相当于多耗油13%。当然,如果这部分电能来自于上次行驶结束时的制动能量回收,总体效果则是省油的。在传统12 V架构下催化器起燃时间长达1 min左右,显然不能应对我国国五、国六排放标准尾气污染物限值;48 V架构下催化器起燃时间有望缩减75%,则能及时发挥尾气排放控制系统功能。当然测试循环工况等因素也会影响电加热催化器节油价值的体现。
48 V车辆运用的技术不限于怠速起停,其电池的各方面性能应该不逊于当前怠速起停汽车所采用的AGM、EFB电池,例如高倍率放电特性、低温特性、高温特性、大电流充电特性等。若低温下大电流充电特性不佳,秋冬季时北方地区车辆的制动能量回收就受到制约。不耐高温的电池在 48 V系统布置灵活度差,要规避发动机仓里高温区域需专设散热单元,不便应用。除了保证电池性能,更要避免电池内部组件在低温、高温环境下发生损伤乃至失控。从当前已发布的48 V车型配置和文献[11]来看,主流解决方案为锂电池。例如长安某款汽车采用了三元锂电池,通用拟配套的万向公司A123磷酸铁锂电池采用了过磷酸技术。再者,从原理上看磷酸钒锂和钛酸锂电池也很适合48 V系统。磷酸钒锂电池低温性能较优,不过其批量化生产能力才刚起步。钛酸锂电池高倍率充放电特性和高、低温性能优良,而能量密度稍嫌不足。这几种锂电池近年来性能提升显著,各有长处,为48 V电气架构提供支撑。
在P1、P2、P3及P4架构下,再考虑到用电附件配置的简略/丰富程度,锂电池电量需求分布在一个较宽范围内。例如以10 s电池模块功率为指标,大体在12~27 kW。电池电量波动范围通常小于0.2 kW·h。出于成本考虑,在48 V系统投放市场初期锂电池电量通常在0.25~0.5 kW·h范围,例如博世公司的48 V电池,以及A123公司的0.37 kW·h电池。在P4架构和电附件电功率大的车辆上,电量需求可达0.4 kW·h[1],相应锂电池电量应该在1 kW·h以上。
得益于加严的汽车油耗限值和汽车控制技术的电气化趋势,48 V系统技术发展迅速。小微电机和锂电池的性能提升给48 V系统提供了器件基础。电池是48 V系统的一项关键要素,有多种锂电可供选用。
48 V系统里,功率电机可用于电动增压器和电动水泵、电动油泵等附件,使发动机效率更高,输出功率更大;用在P2、P3、P4部位的功率电机可达成弱混。更多规格控制电机布置在操纵发动机的控制部件及传动系的各控制部件中,取代电液控制,使发动机更高效和传动系统功率损耗更少。再者,个别控制电机用于调节底盘形态或开合进气隔栅,起到减少阻力效果。48 V系统电效率高的特点也使得座椅主动通风等间接节油手段更具可行性。将上述多方面的节油技术综合起来可以显著降低车辆油耗。
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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
中国新能源汽车产品检测工况研究和开发项目
钱国刚(1977—),男,硕士,高级工程师,主要从事汽车排放与节能研究,E-mail:qianguogang@163.com。
钱国刚,周华,方茂东.配置48 V系统后汽车的节油效益研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2017(12):28-35.
formatQIAN Guogang,ZHOU Hua,FANG 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
(责任编辑林 芳)