基于废气电加热方案的试验研究

【德】 F.FRICKE T.STEINHUBER E.GRUßMANN U.RUSCHE

关键词：废气后处理;电加热;混合动力汽车

0 前言

为了进行方案比较，Benteler公司的研究人员选择了1款搭载了2.0L增压汽油机的插电式混合动力汽车（PHEV），并对其降低排放的潜力进行了模拟，SilverAtena公司的研究人员则负责调控加热盘的效率。该2家公司合作的目标是开发出1种能实现最优调节的高品质解决方案，并投入批量生产。在进行方案开发时，研究人员根据当前市场要求，制订了1项全面的规范目录[1]。除了能满足技术要求（表1）外，研究人员重点对成本进行了评估，并对生产情况进行了专门预测。根据技术标准，研究人员选用了1种自行支承式的结构，并将其灵活地与陶瓷或金属催化转化器相组合。加热元件可采用催化涂层，且易于集成到现有结构空间之中，使研究人员在一定程度上能灵活地为电触点选择位置。为了使这种加热装置能投入高效的工业化生产，研究人员需要重点关注薄钢板的制造工艺和装配过程，并重点研究能用于开发载热体和废气部件的常规方法。

1 基于电加热盘的设计与研究

从功能上进行考虑，研究人员将电加热盘和毗邻的催化转化器组成了同1个单元，并且使催化转化器在几秒钟内就能达到足够高的工作温度，产生的热量也处于均匀分布状态。将该款产品分别用于汽油机与柴油机时，主要区别如下：当其用于汽油机时，须使三元催化转化器尽可能快速起燃;而当其用于柴油机时，重点则在于降低氮氧化物（NOx）排放。对于汽油机而言，加热盘必须采用催化涂层，从而有效减少传热时间。在该情况下，采用加热盘有助于提高催化转化器的整体温度。对于配备有选择性催化还原（SCR）系统的柴油机而言，则必须由还原剂分解出氨。为了能有效地降低NOx 排放，加热盘必须持久地耐受超过200℃的极限温度[2]。

研究人员针对这2种用途设计了不同的解决方案，并制造出了样机。图1示出了其主要的设计特点。对于具备快速加热功能的设计方案而言，发热体的质量及热容量有着较高的重要性，发热体的电阻必须符合实际用途，并能满足规定的可用功率要求。48V 汽车电路的电阻数值通常为350～600mΩ，而当其投入批量生产时，仅允许产生较小的电阻误差。较大的表面积有利于改善热效率，并可提升催化涂层的应用效果。研究人员依据对比评价表（表2），对上述几种方案进行了相互比较。该比较过程主要基于功能样机的结构、试验室中的流动测量，以及工艺专家的经验而开展。

方案1、方案2、方案3以发热体金属薄片为基础，其形状由陶瓷电绝缘子决定。这些金属薄片借助于快速滚筒，并经两级工艺过程压制而成，是1种能实现大批量生产的工艺过程。同时，由陶瓷绝缘子决定的形状，以及与发热体连接而成的整体结构是实现自行支承功能与较高可靠性及耐久性的基础。通过数次焊接工艺，研究人员选择了具有较小壁厚的金属薄片，以此能获得预先要求的电阻数值，同时也会提升系统的单位面积热功率和催化涂层的应用效果。

研究人员采用了方案5，以重叠金属丝编织网覆盖整个横截面，从而使系统呈现出均匀的温度分布。这种金属丝编织网有效减少了催化涂层的表面积，同时由于其加热质量较小，因此能快速地实现加热过程（图2）。方案4通过采用薄膜金属片，即可达到相似的温度梯度。方案5中的金属丝编织网与能使发热元件实现纵向排列的方案3一样，适用于横截面形状不同的催化转化器，当其布置于发动机和汽车地板下方的空间时，具有更高的灵活性。

研究人员通过工艺链和预期的性能误差来评价方案的可制造性。方案5并未采用焊接工艺，这对成本评估起到了重要作用。总体而言，研究人员可以确认方案5具有显著的优势，后续进行的试验将重点关注其与催化转化器共同运作时的效果。在此之后，研究人员将主要针对上述方案的系统集成开展研究。

2 实现最低排放的模拟过程

为了评估废气电加热系统采用电加热盘时所能实现的最低排放，研究人员利用预验证的动力总成系统与配备有相关子系统的模型来描述三元催化转化器。其中，加热盘被布置在靠近发动机的区域，并与三元催化转化器进行组合。在上文所提到的方案中，研究人员还将该加热盘作为金属核心部件，并对加热盘方案1的部件尺寸进行了标定。在模拟过程中，研究人员对加热盘不采用涂层的前提条件进行了设定。

在试验研究中，研究人员对1款搭载了2.0L汽油机，总质量为2100kg的E级汽车进行了模拟。在未采用加热盘时，该款车型就能充分满足欧六d废气排放法规要求。为了评估该方案是否存在继续降低排放的潜力，研究人员在外部温度为-7 ℃的情况下进行了全球统一的轻型车试验循环（WLTC）试验。除了循环和温度变化曲线外，图3还示出了車辆行驶5km后的循环累积排放情况，并与未采用加热盘时的系统相比较。图3示出了基本方案1，以及发热体加热质量分别减少20%和50%时的附加变化方案。这些变化方案相当于通过方案2、方案3（减少20%）及方案4（减少50%）来减少加热质量。在出现了上述变化的情况下，1种方案是在循环开始和发动机起动之前，使加热盘预热40s，并通过二次空气泵进行辅助。通过预热，该方案能明显过度补偿由附加设备所增加的加热盘质量。变化最大的是方案4，该方案需要在循环开始和发动机起动之前为其预热60s。随着循环开始，所有的变化都采用了能持续12s的机内加热策略。其中，电加热功率恒定为4kW，当温度一旦达到400℃时，系统就会停止加热。

与基本方案相比，通过循环最初5km 中的加热催化转化器方案1，NOx 排放降低了9%，并使碳氢（HC）排放降低15%。就降低排放的潜力而言，与欧六dTemp用途相比，方案2、方案3和方案4的效果更为显著。通过上述几类方案，可使CO 排放降低43%，使HC排放降低62%，并使NOx 排放降低42%

研究人员认为，延长预热时间可进一步降低排放。通过对方案4的加热盘进行技术调整，使其可在发动机起动前预热60s。试验结果显示，CO 排放能降低65%，HC排放能降低94%，NOx 排放能降低75%。

正如表2中所示，加热盘的催化涂层是1种附加的改善方案。对于WLTC工况而言，意味着加热盘涂层必须通过机内加热和电加热2种方式，从而在前12s内将催化转化器提高到起燃温度，并且需要使起动时的最大功率达到7kW。研究人员计划将在后续开发过程中对这种选择进行评估。通过采用加热措施，系统有着进一步降低起动排放的可能性，但是在具有较高扭矩需求的情况下，系统面临着出现排放突增的风险。根据研究人员的评估，认为该情况为临界状态，而且还必须考虑到涂层老化带来的附加效应。

根据试验结果，研究人员通过使用电预热方案，使排放能明显低于欧七法规排放限值，同时也期望车辆在真实行驶排放（RDE）循环中能具有同样的减排效果。对于所研究的汽油机而言，研究人员也需要对其进行预热。为将蓄电池应用于混合动力汽车，并且不对其行驶过程进行限制，研究人员需要将电加热过程作为前提条件进行考虑。

3 焊接工艺的开发

在方案1～4中，为提升系统的可制造性和使用寿命，焊接工艺具有重要意义。由于温度在不断变化，使物体氧化的大气环境也将长期存在，加热元件对材料技术提出了较高的要求。在废气装置中，如铁氧体合金钢1.4509等典型材料就无法进行正常工作，形成的氧化层将处于不稳定状态，而且会因循环负荷和内应力而产生脱落现象。脱落的颗粒一方面会引起短路现象，另一方面会减小承载负荷的横截面积，并且会形成绝热层，加速材料的氧化过程。因此，研究人员建议使用温度较为稳定的FeCrAl合金。在真空條件下，研究人员通过高温焊接工艺来制造加热盘。通过该工艺，研究人员可为FeCrAl合金有序地添加Al2O3 涂层和Cr2O3 涂层。焊接持续时间、温度、真空品质、热处理，以及焊缝的结构设计都能有针对性地提供必要的参数，从而能使加热盘具有较高的热机械性能和高强度的连接效果。图4示出了焊接加热盘的焊缝连接，其中工艺技术参数保持相同，而焊缝则处于持续变化过程中。结果表明，不同的焊缝尺寸产生了不同的焊缝金相组织。当焊缝较宽时，可明显观察到硅的析出过程，并且在连接处具有脆性较高的问题。研究人员借助于显微硬度测量过程（图4），可知连接内部的硬度差别因数为3.7，而在焊缝较小的情况下该因数仅为2.2。这种差异较大的硬度会影响此处临界的热机械强度。在硬度较高的情况下，该方案无法起到增塑作用，应力会通过裂缝进行释放。因此，研究人员需要优化设计，使构件配备有性能更优越的氧化层。如果采取必要的结构设计措施，那么研究人员就能对焊缝进行精确设计，使焊缝尺寸低于硅析出的临界值，该数值通常为80μm。

4 解决方案

研究人员开发了1种最大功率为7kW 且电压为400V 的最佳系统方案（图5），并可用于高电压插电式混合动力汽车，以此为加热盘供电。在试验运行过程中，接口和功能可进行相互调整。电控单元（ECU）能以1个直流（DC）变流器为基础，该变流器能根据多种加热元件的不同要求，分别对其进行优化。技术上的挑战主要在于加热元件需要具备较高的功率密度，同时研究人员需要对其整个功率范围内的效率进行优化。

就电加热催化转化器加热元件的损坏情况而言，目前研究人员尚无法准确排查出相关原因，因此加热盘的输入电压被限制在低于60V 的界限内。在此前提下，如果出现溅水的情况，就不会因电加热盘加热元件的损坏，而对乘客造成危害。

对于ECU 而言，研究人员考虑使用配备有串联电流放大器的DC/DC换流器。同时，正如检验标准LV123中的规定，研究人员可根据拓扑学原理，通过变压器转换过程将高电压换流器与低电压换流器隔离开来。

目前，移相全桥控制（PSFB）拓扑学已得到了大规模推广。以该原理为基础，研究人员通过H 型电桥在变压器转换的原边产生交流电压，并采用集成的控制器将转换损失降至最低程度，以此提高了系统效率。同时，研究人员在变压器次边实现了主动整流，从而进一步提高了系统效率。

谐振电路（LLC）转换器是1类正处于发展过程中的技术设备。如果研究人员对LLC实现了最优控制，在主动构件数量较少的情况下，会使系统具有更高的效率。在输入电压和输出电压较低的情况下，LLC 就会丧失其效率优势。目前，PSFB 拓扑学已被用于ECU中（表3）。

将用于加热催化转化器的ECU 集成到汽车上是1项具有较高技术挑战性的工作。除了要寻找到合适的布置空间之外，研究人员还应考虑是否采用高压引线，必要时还要为部件选用冷却循环回路。加热盘和ECU的制造商与系统集成者在项目早期即已进行了合作，从而便于针对该方面开展后续优化工作。

在开发ECU 时，研究人员关注的重点是需要采用1种适于实现批量生产，并且使产品具有较高功率密度和较高集成度的方案。该方案的主要目标是逐步减小ECU 的外形尺寸，从而能将其集成到车内结构空间中。

这种转换器包括1种最优的调节策略，这样使用者就能通过功率调节，预先为特定运行工况点提供所需要的功率。在电子系统中，用于控制电加热催化转化器的加热盘与最佳的电流-电压系统相匹配。其中，研究人员要考虑到系统所能承受的电压极限，这样就能始终为系统提供合适的功率，而此项决策与加热程度和损耗无关。研究人员通过对加热催化转化器系统进行智能调节，在监控加热元件时，就能省去附加的温度传感器，从而降低部件成本。

就ECU 而言，研究人员可选择具有灵活数据传输率的控制器局域网络（CAN）总线或局域互联网络（LIN）及汽车通讯等方式。由于传输过程通常采用双向进行的方式，从而会有多种诊断数据可供用户使用。同时，该系统还能提供多种参数，例如运行模式、预设的额定值和最大值，以及起动状况。

用于转换器的微控制器平台允许汽车具有开放的架构集成方案，此外还单独实现了误操作保护和监控等所有必备的功能，满足了对废气管路部件的认证要求。

在这些研究工作的基础上，研究人员将开发出1款能在汽车上实现快速评估的平台，并进行大规模推广，以供用户选用。

5 总结

在对部件进行精确设计和反复试验的基础上，研究人员对自行支承式加热盘的设计方案进行了详细评估。

对汽油机的评估结果表明，提升加热梯度能有效降低废气排放，但其他的加热盘方案在降低复杂性和成本方面也具有其自身优势。最终会应用哪1种设计方案，主要取决于计划用途、安装位置、所选择的废气后处理策略，以及特定的废气排放标定过程。

为满足即将实施的废气排放法规，选用自行支承式电加热盘是1项较为理想的方案，以此可有效减少排放。该设备适用于汽油机和柴油机，特别是当2类机型被用于混合动力汽车的动力来源时。研究人员通过开发合适的电子控制系统，在项目早期阶段就能为用户提供1种具有较高价值的产品，从而能缩短该款加热盘的开发时间。