12 V混合動力電動增壓系統

【德】 S.HOFFMANN S.GELLINECK J.MARTIN S.MEAD

1 背景

在當前環保要求的驅使下,汽車制造商致力于降低整車CO2排放,至2021年應將車輛的平均CO2排放降低到95 g/km以下。這不僅促使其目前要關注電氣化、混合動力化等技術領域,而且也要在汽油機和柴油機開發方面建立一個寬廣的新產品開發平臺。

開發的產品需滿足用戶的不同需求,包括在行駛性能或成本方面的需求差異。由于不同用戶的要求彼此差別很大,特別是在銷售量較大的緊湊型或中型車區段,因此按照價格/功率比進行結構設計的策略是不可或缺的。

采用電壓較高的附加電路(例如48 V)的混合動力技術裝置,具有改善能量管理效果的開發潛力,例如實現制動能量回收或扭矩輔助功能,并且還能與電動壓氣機等輔助裝置實現聯控,現代汽車公司據此已有相關技術[1-2]。輕度混合動力通過擴展增壓范圍而改善車輛效率的功效,已被許多汽車制造商所采用,但是至今市場上仍缺乏低成本、高效益的12 V混合動力和增壓功能的技術。

為滿足該市場需求,現代汽車公司與集成動力傳動有限公司合作研發了名為“Supergen”的12 V混合動力-壓氣機系統,將混合動力電機系統與電動壓氣機組合布置于一個緊湊的殼體中(圖1中藍色部件)。該方案不僅成本較低,而且具備與48 V系統相似的性能。該技術已進行樣機試驗,將1個用于為汽車電路供電的通過高效皮帶傳動的12 V起動發電機(BSG)與用于按需實現無級調節增壓壓力的機電式無級變速傳動(e-CVT)的離心式壓氣機相組合。這是首個將Supergen技術與柴油機相組合的項目,在汽油機上已證實了該系統的技術發展潛力[3-4]。

圖1 裝備混合動力電機系統與電動壓氣機組合裝置的發動機

2 基本方案

對該系統進行模擬處理,以便得出空氣流動路徑,同時也能了解Supergen裝置用于D級柴油轎車時的節油潛力。該方案可與之前公布的48 V輕度混合動力方案進行比較。為此,將其集成到量產的起亞Optima 1.7 L CRDi轎車上(圖2),并針對下述各項技術進行優化：

(1)借助于具有更高效率的加大可變渦輪幾何截面(VTG)增壓器以提高最大功率;

(2)通過快速響應的Supergen電動壓氣機增大低速扭矩并縮短響應時間;

(3)借助于加大變速器速比以實現低速化;

(4)通過超級渦輪方案(壓氣機和渦輪增壓器)改善廢氣再循環(EGR);

(5)具有12 V能量回收、扭矩輔助和起動-停車功能;

(6)通過改善燃燒過程降低發動機廢氣排放;

(7)具有離心力配重的雙質量飛輪(ZMS)在顯著提高低速扭矩的同時優化噪聲-振動-平順性(NVH)性能。

圖2 試驗車輛應用的技術組合

3 系統技術

在開發Supergen系統時,需重點注意無論是外形尺寸還是電氣系統都應可方便地集成到現有的車型上。由于涉及配裝到12 V基礎電壓系統上的方案,因此,在電氣方面主要應用了最先進的被稱為“East Penn”的超級鉛-碳精蓄電池。與備受關注的鉛酸蓄電池相比,該超級蓄電池因其具備的超高容量特性,能充分滿足混合動力系統的充放電需求。

Supergen單元結構簡單且可靠性較高,通常由1個用于混合動力功能(發電、扭矩輔助/起動機)的電機(E1)、1個中心輪軸上帶有離心式壓氣機的牽引行星齒輪變速器,以及1個與行星齒輪架連接電機(E2)組成,能按需調節中心輪軸及與之相連的離心式壓氣機的轉速(圖3)[5-6]。

功率電子器件被集成在Supergen殼體中并用水冷卻,裝入的傳動裝置機油-水熱交換器使變速器保持在最佳的溫度范圍內,其中的冷卻液則由緊湊的外部低溫冷卻回路進行冷卻。

圖3 Supergen系統結構型式

由發動機前端輔助設備傳動機構(FEAD)的V形皮帶驅動的E1電機用作汽車電路發電機及作為調節壓氣機的E2電機的電源,而E2電機又可與牽引行星齒輪相互配合以實現e-CVT的相關功能。這種配裝有2個電機的方案是該系統優點之一。就建立增壓壓力的方案而言,其在用電方面可實現自給自足,而FEAD的機械功率則由E2電機提供,因而所需的增壓壓力與發動機轉速無關(圖4)。這種自給自足的工作模式與集成的冷卻系統一起可使得該單元持續運作,而不會使蓄電池充電狀態受到限制或者出現過熱問題。

圖4 增壓壓力的產生

4 系統集成

為了將系統集成到試驗車上,棄用了常規的發電機,并設計了采用雙臂雙作用皮帶張緊器的特殊的兩級FEAD用于傳動Supergen系統(圖5)。

圖5 Supergen系統集成

新的空氣管路布置由作為高壓級的Supergen電動壓氣機和作為低壓級的加大型VTG渦輪增壓器組成。為了在發動機中高轉速范圍內在不增壓的情況下能使氣流繞過Supergen的電動壓氣機,為此在這段增壓空氣管路中布置了1個電動旁通閥。

在高壓EGR(HP-EGR)系統外,再添加了1個包含有EGR冷卻器的低壓EGR(LP-EGR)回路,以便進一步降低氮氧化物(NOx)排放。為了進一步降低有害物和CO2排放,在渦輪增壓器和Supergen電動壓氣機之間,附加連接1個增壓空氣冷卻器是卓有成效的方法。

5 增壓壓力建立的分攤

為了能評價整個增壓系統的技術潛力,對整個發動機特性曲線場范圍內電動壓氣機與渦輪增壓器之間的相互作用進行細致的試驗研究。為此,確定了增壓分攤系數作為渦輪增壓器和Supergen電動壓氣機之間建立增壓壓力的分攤比例(圖6)。

圖6 增壓分攤系數

圖6 示出了在各種不同增壓壓力和NOx排放保持恒定不變的情況下增壓分攤系數的變化。在圖6所示的轉速1 500 r/min和平均有效壓力(BMEP)0.6 MPa的運行工況點上,能明顯看出增壓壓力和發動機排放之間的相互關系。當增壓壓力保持在基準水平恒定不變,同時空氣系統由Supergen電動壓氣機供應10%(增壓分攤系數為0.9)的情況下,在NOx排放保持不變的同時,使碳煙排放降低約70%,CO排放降低達60%以上。

應用Supergen系統來提高增壓壓力,可降低渦輪增壓器的壓比,VTG渦輪葉片隨之打開,能在較小的掃氣壓差情況下提高系統效率。但是其對系統的復雜性不利,較低的廢氣背壓,再加上掃氣壓差較小,為此需加入低壓EGR,以便產生足夠的EGR質量流量來降低NOx排放。

6 全負荷試驗結果

降低CO2排放的策略使得發動機可實現低速化,尤其可通過提高較低轉速范圍內的發動機功率來實現。圖7示出了系統的潛力,發動機轉速在1 000～1 500 r/min時,扭矩能提高40%,燃油耗能同時降低5%,這是采用較大VTG渦輪增壓器和增壓壓力策略相組合的結果,不僅可將最大功率提高25%,并用于補償行駛功率的降低,同時無需采用較大傳動比的變速器,行駛性能還可得到明顯改善。與采用48 V電動壓氣機的發動機進行比較,其試驗結果幾乎是一致的,差別在于其所使用的電動壓氣機出于溫度的原因運行一段時間后就必須關閉,而Supergen電動壓氣機卻能持續運行。

7 行駛性能試驗結果

在發動機試驗臺架上進行的穩態全負荷試驗表明,Supergen系統由于可提供附加的空氣質量,因而能噴射更多的燃油量,因此能顯著提高低轉速范圍內的扭矩。由于該系統具有較高的動態響應特性,動態扭矩的建立明顯改善了其行駛性能(圖8)。圖8中Supergen增壓的數值1代表純渦輪增壓。

從試驗結果中可明顯看出,經Supergen系統改善的瞬態響應特性,車速從35 km/h開始加速至80 km/h時,裝備Supergen系統的汽車加速時間縮短了1.3 s。若由電機E1再在曲軸上附加約25 N·m的輔助扭矩,則其加速時間還能再縮短0.3 s。

圖9示出了試驗汽車所達到的行駛性能與帶有電動壓氣機的48 V輕度混合動力系統的比較。與基本車型相比,無論是配裝48 V輕度混合動力系統的車型還是配裝Supergen系統的車型,包括試驗采用的較大傳動比變速器的車型,在行駛靈活性方面均得到了明顯改善。Supergen系統達到了幾乎與之相同的動態性能,從車速80～120 km/h的加速時間比量產汽車縮短了約20%,而且由電機附加的輔助扭矩要比采用48 V輕度混合動力時更低。

圖7 發動機全負荷特性

圖8 應用Supergen系統的汽車動態性能

圖9 動態性能與48 V輕度混合動力系統的比較

8 廢氣排放試驗結果

由現代汽車公司開發的空氣管路和混合動力調節軟件都已得到應用,以便試驗整個系統用于混合動力汽車時的全部技術潛力。圖10示出了在全球統一的輕型車試驗程序(WLTP)循環期間混合動力運行策略的實例。

在該循環的加速階段中,Supergen系統輔助空氣系統能更快地建立起增壓壓力,而且使用來自回收能量的輔助扭矩替代發動機扭矩,從而降低CO2排放?？諝庀到y借助于Supergen附加的輔助壓氣效果,可在14%的循環時間內起作用。在WLTP循環中特別是在對用戶更重要的實際道路行駛條件下,其持續采用的輔助增壓技術可得以廣泛應用。

在行駛中通過制動能量的回收來獲取多余的能量?？晒┦褂玫腟upergen樣機以及受到已安裝的70 A·h容量的超級蓄電池的限制,其峰值功率能達到2～3 k W。

圖10 WLTP循環中的能量管理

與原始車型相比,CO2排放總共能降低7.5%(圖11)。其中,改善的主要原因可能是將傳動比顯著提升的試驗車作為基本車型,明顯增大的扭矩和經優化改善的響應特性允許其在較低的發動機轉速下運行,從而無需對行駛性能方面的缺陷進行容忍。而在改善起動-停車性能方面還存在其他一些優點,例如較早關閉發動機、較晚起動,以及無噴油起動。

圖11 WLTP循環的節油效果

除了CO2排放得以顯著減少之外,Supergen系統的扭矩輔助還能使NOx排放降低30%。特別是在會產生大量NOx排放的加速工況期間,Supergen系統產生的輔助扭矩能防止加速期間發動機出現扭矩峰值,因而可以降低NOx排放。

在WLTP循環期間回收的能量總共可達100 W·h,由安裝的第一代超級蓄電池進行儲存。在該配置中,系統受到蓄電池性能的限制,特別是蓄電池樣品充電能力的限制。此處所建立起來的鉛-碳精蓄電池技術將得以進一步開發,以便提高蓄電池的充電能力。隨著蓄電池系統的進一步優化及Supergen系統的最新開發,基于加強制動能量回收,CO2排放總共能降低約10%。為了查明最新一代容量約90 A·h超級蓄電池的回收潛力,已對此進行模擬研究。根據研究結果,技術性能得以提升的蓄電池允許增大的充電功率在5 k W范圍內,而無需超過所規定的充電電壓極限,從而有望將WLTP循環中的能量回收能力提高到175 W·h。該數值在48 V系統回收300 W·h能量占比的60%范圍內變動,因此根據具體用途和當前市場狀況,Supergen系統是一種利于降低成本,并可有效替代48 V系統的方案。

使用改進的鉛-碳精蓄電池的優勢在于該類技術的附加費用較低,使用壽命比通常的吸收性玻璃纖維板(AGM)蓄電池長,并且無需采用專門的高效輕度混合動力能量存儲器。除了這種有利于降低成本的解決方案之外,Supergen技術方案還允許采用2個蓄電池,例如其中一個傳統的鉛酸蓄電池用于汽車電路供電,另一個容量較小的緊湊型鋰電池作為中心蓄電池用于回收能量并有利于最大程度降低CO2排放。

9 總結和展望

該合作項目通過改善效率、行駛性能和耐久性滿足用戶日益提升的使用要求,同時證實了12 V輕度混合動力化與先進的內燃機技術相結合具備的優勢。以量產的起亞Optima轎車為基礎,集成了12 V-Supergen系統,并與增大傳動比的變速器相組合,使燃油耗降低約7.5%。若使用新型的Supergen系統和新一代超級蓄電池,燃油耗甚至有望降低約10%。同時車輛的駕駛靈活性也以相同的數量級超過配裝有電動壓氣機的48 V混合動力汽車等基本車型。就CO2排放而言,與12 V-Supergen系統相比,48 V方案的主要優點在于較高的汽車電路電壓具有較大的能量回收潛力,但是Supergen的集成費用顯然要比更復雜的48 V系統低。

因為Supergen系統的電子器件是以最新一代金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)技術為基礎的,因此該系統也能轉換成48 V系統的變型。采用48 V的Supergen系統因具有廣泛的輕度混合動力化可能性從而能在燃油耗方面具備諸多優勢。此外,Supergen系統在增壓用電方面完全能實現自給自足,因而僅需使用1個小型蓄電池,這是可有效替代48 V系統的一種選擇。

Supergen技術也有利于其與汽油機進行技術組合,是解決以阿特金森循環或米勒循環工作的發動機低轉速范圍內運轉時所面臨的扭矩問題的一種最佳方案。出于該原因,Magna公司旗下的合資集成動力傳動有限公司,目前已計劃將該系統于2020年開發并投入量產。