AVL开发市内零排放48V插电式混合动力车的组合动力系统

2020-01-16来源: EEWORLD关键字:AVL  48  V系统

当前针对汽车电动化的大力推行使得车用内燃机的发展每况愈下,AVL公司作为回应,从而开发了一种高效内燃机与48 V插电式动力设备的组合动力系统,通过该途径实现了一种充满前景的替代方案,不仅降低了OEM制造商车队的CO2排放,而且能使用户在市内能实现无排放的电动行驶。


1 强大的政治压力


随着汽车电动化的不断推行,使得车用内燃机的发展情况捉襟见肘,特别是在欧洲,除了基于交通运输而设定的CO2排放法规所产生强大的政治驱动力之外,同时也要求对空气品质进行显著改善。此类要求也反映了未来欧7废气排放法规的严苛程度,特别是基于真实行驶排放(RDE)边界条件,该法规的要求将超越美国超低排放车辆US-20法规的限值。


用于市内行驶的微型车辆在附着质量、结构空间需求特别是全电气化的成本等方面都受到限制,因此混合动力特别是48 V系统则具有重要意义。


2 当前的48V驱动系统


将48 V皮带传动起动机-发电机(BSG)集成到动力总成系统已显示出其独特的应用前景,其能改善内燃机废气排放的适应性以及驾驶机动性和行驶动力学性能。尽管如此,该类系统基于在皮带传动中的布置,其在电动行驶、灵活驾驶、制动行驶等方面无法提供充分的用户使用经验。除了上述限制之外,通过皮带传动的扭矩受到限制也会带来附加的技术挑战。皮带传动如需传递更大的扭矩就要求增加皮带筋条和/或提高三角筋条皮带的预紧力,由此会导致更剧烈的摩擦,从而增加燃油耗,而由此又不得不设法予以补偿。


48 V系统相对于12 V系统的燃油耗优势是基于更大的能量回收潜力,甚至在考虑到DC/DC转换器效率损失的情况下发电机仍具有良好的效率。这些限制以及在回收运行能量时内燃机并未脱开动力总成系统的实际情况,使得该系统降低CO2排放的效果逐步受限。


3 下一代48 V系统


与48 V-BSG相比,电机直接布置在动力总成系统中并且能使内燃机实现脱离的系统能更有效地降低CO2排放,因而不仅能回收更多能量,而且还能提升实现汽车电动化的可能性。


图1中示出的P2、P3和P4布置型式能够实现上述的电动出行方式,而且能获得与结构相同的高电压全混合动力系统相似的降低CO2排放的效果。

图1 P0~P4型48 V动力总成系统架构以及在WLTC试验循环中按电机尺寸回收能量曲线

图1 P0~P4型48 V动力总成系统架构以及在WLTC试验循环中按电机尺寸回收能量曲线


混合动力降低CO2排放的技术提升潜力主要依赖于能量回收系统,因此本文的研究重点主要在改善回收能量的效率上。此处所考虑的边界条件是由车辆大小、质量、行驶阻力和行驶循环法规所决定的。系统分析(基于模拟工具AVL Cruise)表明,用于前桥横置驱动结构的P2混合动力方案能提供最高的能量回收潜力。


约20 kW的峰值功率是发电机处于运行时能量利用与系统功率之间的良好折中。鉴于结构空间需求、系统成本和模块化/可缩放性,侧置(偏置)系统提供了良好的潜力。由于偏置结构附加的传动比,能使用集成了变频器且转速高达18 000 r/min的高转速电机。电机的这种方案能被设计成一个模块,因为其同样能作为电驱动桥或作为小型电动车(例如A0级三轮摩托车)的主驱动装置。


在开发中,现有的解决方案在驱动运行时可提供约25 kW或20 kW的发电机功率。功率的差别是以系统电压为基础的。由于蓄电池内部存在阻抗,从蓄电池中获取20 kW功率会引起电压降,而将电流通至蓄电池则会相应提高电压,从而获得更高的额定功率。


4 48 V插电式混合动力车


为了能在2025年或2030年达到规定的降低CO2排放的目标,从而需不断优化车辆的摩擦损失、变速箱的换挡策略以及内燃机本身的热管理方案,但即便如此,降低全混合动力车型的CO2排放效果仍然有待提升。


从逻辑角度出发,需增加电动车所占的市场份额,借助于以VW Golf Ⅶ轿车为基础的演示车辆进行系统模拟就能体验到该目标效果。为此,将AVL公司开发的效率优化的内燃机与20 kW电动后桥以及AVL公司开发的容量为5.3 kW·h的48 V蓄电池相组合,并在真实交通中进行试验。这种优化的动力总成系统能在最高车速为50 km/h情况下以电动状态行驶20 km以上的里程(图2)。

图2 AVL演示车辆的CO2排放和架构(PHEV=插电式混合动力)

图2 AVL演示车辆的CO2排放和架构(PHEV=插电式混合动力)


5 日常局部无废气排放


为降低废气排放(例如CO2)而开展的研究并不完全在于用户。自由进入城市的零排放区域和电动驾驶体验对其充满吸引力。对于用户而言,除了成本价格以外,其主要关注的是行李舱、净载质量、行驶功率等方面的车辆特征。为了满足系统中的相关要求,设计时需分析真实生活中的使用情况,例如需正确地开出车库、横越人行道边沿、通过坡道和更长的距离,同时需考虑的不仅是从-30~60 ℃的温度影响,而且还包括有小型车净载质量480 kg和自重1 250 kg等使用情况。


针对各类重要使用情况的广泛分析即可正确地确定要求,例如对中欧使用情况的系统综合即可得出了所需求的平均电动行驶里程为22 km,这对于市内范围行驶可充分满足要求。


对于C级车和质量为1 500 kg的车辆而言,其最大车轮功率需求约为25~30 kW,而车辆用于驱动的平均持续功率约为5 kW,用于诸如采暖/冷却装置、娱乐信息设备、汽车前大灯、刮雨器装置等辅助设施平均需要增加1~3 kW功率,因此蓄电池的总持续功率需达6~8 kW左右。图3 上图示出了用于WLTC试验循环城市部分和用于真实城市行驶的功率需求比较。

图3 WLTC城市部分和真实城市行驶以及WLTC需求的功率的比较

图3 WLTC城市部分和真实城市行驶以及WLTC需求的功率的比较


在考虑到从车轮直至蓄电池的传递路径时,所需的电系统功率约为30~35 kW。若维持正常运行的最低电压为34 V,在30 kW时的峰值电流则为880 A。


影响电系统成本的主要因素是电流而并非是电压,以此牵涉到选择该类48 V系统的正确与否,正如ISO 6469-3标准(道路输电安全性标准)所规定的一样,将更高的75 V高电压作为系统电压,也只能使电流减小约20%。


图3下图通过系统的综合分析表明,高功率仅需要较短时间(绝大多数为1~5 s),因此对这些功率峰值的需求相对较少。如果需持续提供8 kW的最大功率,采用直径大大幅减小的导线即可满足其要求。


真实行驶和RDE法规的要求带来了需进行附加考虑的因素,例如低温性能和使用寿命。如果考虑到对系统标准架构的相关要求,为此应作出必要的调整。


诸如大电流及其所引起的损失、高电流脉冲时的电压突破以及蓄电池的低温性能等关键性的挑战,在当前的系统架构下通常是难以解决的。由此为了将这些要求模型化,应用系统工程方法将会面临3种有趣的情形:


(1) 高功率—受限制的持续时间—大电流;

(2)低功率—长持续时间—小电流;

(3) 低温—功率不降低。


在该类系统架构中使用的48 V蓄电池具有400 W·h的能量。由此导致的限制是较高的能量损失和效率的降低(图4)。正如在系统架构中所表现的一样,该类蓄电池和能量传递途径在满足上述1和3两种要求的情况下会显示出相应弊端。

图4 12s2p和400 W·h-48 V蓄电池的功率输出和内部损失

图4 12s2p和400 W·h-48 V蓄电池的功率输出和内部损失


能充分满足此类要求的蓄能器是一种双层电容器(DSK),这种技术的缺点是电压升程较大。蓄电池与双层电容器的组合对于上述任务是一种充满希望的解决途径。为了将损失降低到最低程度,有别于大多数其他方案,将电容器集成在动力模块中是较为可行的。此时,如需将其集成为一个模块,则有两种可能性:第一种可能性是应用一种简单的半导体开关将电容器连接到蓄电池电压上,从而降低成本。在该情况下一个小型DC/DC转换器即可在非主动状态下进行充电和放电。第二种可能性是预先应用一种大电流DC/DC转换器,此类转换器的设计能作为变频器而进行设计优化。


在该两种情况中,双层电容器的数量需根据功率和能量需求来决定,而非取决于电压水平,由此能实现有利于降低成本的设计。

 

基于分开式系统架构所应用的蓄电池在低温性能和峰值功率方面的要求较低,允许采用带有能量单元的蓄电池设计,这些能量单元在安装容量方面能达到较高的能量密度和较低的成本。


最后,应考虑电机和变频器较高的电流需求。如果将设计从3相改成6相而没有星形连接点的话,那么电流将减小一半,每3相的损失将减小到四分之一,每6相的损失就减小到一半,类似于等式P=I·R。


6 新的高功率系统架构


新的系统架构(图5上图)能满足不断提升的要求,在WLTC试验循环中根据所安装的蓄能器能使CO2排放低于65 g/km。


这种系统架构的核心部件是AVL-48 V电动桥。除了电机之外,其同时包括减速传动机构和离合器,后者在高车速时可使电机脱开动力系统。集成在电机中的变频器(图5下左图中蓝色标记)被安装在一个共用的壳体中(图5下图),并将水冷却循环回路与电机分开。

图5 基于系统合成和AVL-48V高功率电动桥的系统架构以及能量单元和6相电机的设计

图5 基于系统合成和AVL-48V高功率电动桥的系统架构以及能量单元和6相电机的设计


48 V高功率系统由于在混合动力车(HEV)、插电式混合动力车(PHEV)和纯电动车(BEV)上存在着广阔的

[1] [2]
关键字:AVL  48  V系统 编辑:鲁迪 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qcdz/ic485920.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:锂电行业彻底改变人类生活,日本掌控核心技术,中国该如何破局?
下一篇:悉尼Sicona公司开发混合硅碳负极 提高电池性能

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

汽车电子连环话 | 车联网都改变了什么?
上周四参加了IET和重庆汽研的智能网联会议,下午的论文讲演环节有两个PPT是有关于动力总成的能量管理环节,其中一个是AVL讲的Connected Powertrain。   1)车联联网和信息通道的意义 预告下:本周联合几位老司机一起来探讨车联网,对司机以及车辆本身和后台车企的意义。IET上AVL讲的其实就是打破几个域Domain的固有联系,Telematics和Navi除了让司机找路之外(我们严肃的讨论下,找路用车机导航还是手机导航是不是更好一些),开始让外部的信息对车辆有更多的提升。   原来几块,导航、交通标志识别、动力总成、ACC定速巡航之间的联系寥寥     由于移动互联网的高速发展,车载导航自个对驾驶员的效益和体验
发表于 2016-09-29
AVL 使用 MATHWORKS 工具开发燃烧控制器
      MathWorks 近日宣布,从事动力总成系统开发的,全球规模最大的私营公司,AVL LIST GmbH 运用基于模型的设计开发出了一种实时燃烧控制器。与手写代码方式相比,AVL 借助 MathWorks 工具大约缩短了 50% 的开发时间。   发动机标定是指对发动机进行控制,使其达到最佳的燃烧工况。传统方法是在试验台架上运转发动机,进行反复试验,这是一个非常缓慢的过程。为了解决这一难题,AVL 开发出一种新型燃烧控制器,可以极大缩短发动机标定团队在试验台架上的测试时间。AVL 采用 Simulink 构建一个系统模型,在仿真环境中对控制器所有运行工况进行验证,并对部分破坏性试验进行测试,以保护实际测试中的发动机
发表于 2010-05-04
AVL 使用 MATHWORKS 工具开发燃烧控制器
      MathWorks 今天宣布,从事动力总成系统开发的AVL LIST GmbH 运用基于模型的设计开发出了一种实时燃烧控制器。与手写代码方式相比,AVL 借助 MathWorks 工具大约缩短了 50% 的开发时间。       发动机标定是指对发动机进行控制,使其达到最佳的燃烧工况。传统方法是在试验台架上运转发动机,进行反复试验,这是一个非常缓慢的过程。为了解决这一难题,AVL 开发出一种新型燃烧控制器,可以极大缩短发动机标定团队在试验台架上的测试时间。AVL 采用 Simulink 构建一个系统模型,在仿真环境中
发表于 2010-04-29
基于MAX2119的直播星NIM调谐器设计
  根据“十一五”规划建设目标,我国将全面实现20户以上共71.66万个已通电自然村的“村村通”广播电视。2008年6月,随着中星9号的顺利升空,我国的“村村通”工程进入直播卫星时代。根据国家广电总局的规划,在目前已经开通48套电视节目的基础上,未来还将开展多种增值服务,如高清、推送视频点播等内容,并由此推动相关的产品制造、服务行业的发展与产业升级,形成上千亿元的市场规模,为拉动内需,促进经济发展,发挥积极作用。针对该市场的巨大需求,Maxim推出MAX2119,本文介绍了基于Maxim MAX2119和中天联科AVL1108解调芯片的直播星NIM调谐器的参考设计。 硬件设计   MAX2119低成本、直接变频调谐器IC专为
发表于 2009-11-10
基于MAX2119的直播星NIM调谐器设计
新一代ABS-S卫星电视接收芯片AVL1108技术分析
  中国首颗直播卫星“中星九号”在2008年6月9日成功发射,现已正式投入运营,中国政府主导的“村村通”工程已经拉开大幕,整个“村村通”将涉及到2000多万家庭用户。随着“村村通”工程的启动,预计在未来两三年里中国将成为世界上最大的直播卫星用户市场。   中国卫星直播数字电视接收芯片以及调制关键技术产品开发的主要技术基础源于国家广电总局“直播卫星系统传输技术研究”项目的研究成果,即“先进卫星广播系统”(ABS-S)技术标准。通过与国家广电总局密切合作,中天联科参与了ABS-S的制定及产业化工作,并成功研发出基于ABS-S标准的卫星电视接收芯片AVL1108,在此基础上完善了从调制器到终端接收设备的ABS-S产业链
发表于 2009-04-12
新一代ABS-S卫星电视接收芯片AVL1108技术分析
超大底+高像素,豪威推旗舰传感器OV48C
豪威在CES上发布了OV48C,这是一款4800万像素的图像传感器,具有1.2微米的大像素尺寸,官方称可为旗舰智能手机相机提供高分辨率和出色的低光拍照性能。OV48C的传感器尺寸为1/1.3英寸,像素尺寸为1.2μm,有效像素为4800万。同时,它还号称是首颗具备芯级HDR的产品,信噪比更低、运动鬼影更少。OV48C传感器自带4单元彩色滤波阵列、支持4800万像素拜耳输出、支持四像素合一(等效1200万像素、2.4μm),支持4K/8K视频拍摄和360fps慢动作等。豪威市场经理Arun Jayaseelan表示:“高分辨率、大像素尺寸和高动态范围的结合对于旗舰手机相机的夜间模式等功能至关重要,OV48C是行业内唯一提供高48
发表于 2020-01-09
小广播
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2020 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved