采用48 V驅動模塊的未來新型城市電動車方案

【中】 范明強 編譯

1 未來城市電動車及其驅動裝置

在現代社會中,緊湊、易于駕駛、高效而又經濟的車輛更受歡迎。馬勒(Mahle)公司開發的以馬勒高效電動車(Meet)為代表的未來城市電動車方案(圖1),從技術上實現了上述要求。其技術關鍵在于通過動力總成系統、熱管理和空調等各項技術之間的相互協調配合,從而達到最高的能量利用總效率。同時,馬勒公司還開發了一種具有各種不同功率等級的緊湊、高效的模塊化48 V電驅動單元,該單元可用于如Meet電動車等新型的城市電動車,也可用作為混合動力車的電驅動模塊。

圖1 馬勒公司Meet示范電動車

Meet電動車被設計成采用電驅動的雙座城市車輛,以低成本提供了高駕駛樂趣、高舒適性和高效率。其開發目標是將各項技術與車輛功能相結合,通過系統間的最佳協作為用戶提供增值效益。從技術角度看,對于電動車而言,其能量利用效率是至關重要的,因為在整車系統中車輛的行駛里程及蓄電池尺寸對成本起著決定性的作用。作為運輸工具,如果要有較好的市場表現,還需具備良好的加速性和滿足使用要求的最高車速及較高的機動性,并在具有較好舒適性的同時提供駕駛樂趣。

用于實現Meet電動車開發目標所采用的技術組合包括功率電子器件和車載充電裝置在內的動力模塊、可加熱表面的舒適性溫度控制、電動溫差熱泵以及全新的人機界面(HMI)操縱方案(圖2)。此外,驅動裝置的高效率和熱管理使得車輛即使在使用空調的情況下仍具有較長的行駛里程。

圖2 用于馬勒高效電動車的技術組合

馬勒公司已將該驅動裝置設計成能以48 V低電壓運行的模塊化驅動單元,其成本比高電壓設計方案降低達25%,因為其能省略法規規定的防止高電壓風險的保障措施,而且低電壓狀況允許驅動裝置具有多種用途,如一方面可用于純電動車,另一方面還可用作大型車輛混合動力系統的電驅動模塊。近幾年,采用48 V運行電壓的混合動力方案已被大量投入批量生產,具有廣泛的市場應用規模,規模生產效應使得用于混合動力系統的部件的成本較低,因此用于馬勒48 V驅動模塊的成本也相應較低。

2 新型模塊化電驅動裝置

2.1 確定必需的驅動功率

出于效率的原因,城市電動車的驅動裝置應以現代交通中現有的功率需求為導向。為了查明這種需求,馬勒公司在以德國斯圖加特市為代表的對地形要求非常高的路段上,在各種不同交通密度的情況下進行了城市行駛試驗。用一輛商業上常用的C級車輛(質量為1 670 kg)在公路上進行測量,其目標是該試驗結果可直接轉換成電驅裝置的技術規范。此類路段是由城市街道和高速公路組成的混合道路,包括下列特征：(1)恒定為50 km/h的市內行駛車速;(2)高速公路最高行駛車速不超過100 km/h;(3)在紅綠交通信號燈和交通擁擠時的起動-停車系統運行。

依據不同路段對電驅動系統提出了不同的要求,城市和高速公路上的車速比例分配決定了其所必需的驅動功率,而起動-停車系統運行的范圍對所需的最大扭矩起著決定性的作用。

為此,馬勒公司進行了典型的城市行駛工況循環(馬勒斯圖加特行駛路線)試驗(圖3)。所獲得的測量數據用于Meet電動車整車模擬模型分析的輸入數據,以此查明的城市電動車所需的電機轉矩、車橋扭矩和車速,分別示于圖4和圖5。圖4和圖5表明,在測試循環中按時間百分比計算的相對于車輛行駛速度所需的電機轉矩、車橋扭矩和車速的頻度分布,由此可推導出對驅動裝置的一般要求。在城市行駛工況循環中,在以下2種運行范圍時Meet電動車表現更加優異：一是在較低車速下的起動-停車系統和滑行模式,二是以40～50 km/h的車速行駛的主要范圍。正如從試驗中所知,對于以上2種行駛狀況,只需有20 k W的機械功率即可滿足所有運行工況點的需要。

圖3 馬勒公司斯圖加特行駛線路

圖4 斯圖加特行駛路線所需的電機轉矩和車速及其頻度分布

圖5 斯圖加特城市行駛路線所需的車橋扭矩和車速及其頻度分布(較淺顏色代表較高的使用概率)

起動-停車系統運行工況的特點是車速低且扭矩大。為了確保其加速性足以使車輛順利地跟車前進,需具備1 600 N·m的車橋扭矩。因為試驗車輛的總質量要比城市車輛大很多,因此目標質量小于900 kg的電動車方案會獲得附加的動力性能優勢。在車速較高時,因加速持續時間較短,電機能提供30 k W的峰值功率,并產生較大的轉矩。

通常,在開發具有高功率密度的電驅裝置時,需重視每個負荷工況點所持續的時間。因電機具有熱慣性,所以承受短暫的高負荷不會受到損壞,但是持續時間較長的負荷需針對長期的熱負荷狀態予以評估,在該負荷型式情況下應針對冷卻系統制定相應的對策,持續時間較長的負荷越大,冷卻系統的冷卻能力則應越強。在所進行的行駛試驗實例中,要識別出圖4中在典型市區車速為40～55 km/h時和典型高速公路車速為85～95 km/h時持續負荷運行的工況點。城市行駛需要持續功率達20 k W的電驅動裝置,短時間則應具備達到峰值30 k W超負荷的能力。

2.2 理想的電壓狀況分析

電機的電壓狀況對驅動系統的成本具有重大影響。為了用于未來城市車輛,馬勒公司對各種不同功率等級和供電電壓的系統成本進行了試驗,同時電機設計還考慮到不同電壓狀況和電流限制,以及采用各種不同半導體方案和連接方式的功率電子器件,此外還對采用低電壓(≤60 V)的牽引力與采用高電壓的牽引力進行了比較。

在電壓低于60 V的情況下,可省去預防電氣危害的高成本安全措施,而在更高的電壓下,該類措施則是法規規定中不可或缺的。在供電電壓較低及電機功率相同的情況下,所需的電路導線中銅線的橫截面會成比例地增大。尤其是功率電子器件的電流承載能力受到限制,需附加平行分路,因此存在1個盈虧平衡值,從該值起低電壓驅動方案的成本比高電壓方案更低。

馬勒公司的試驗結果顯示,低于60 V電壓相比高達40 k W的功率輸出具有明顯的成本優勢,而對于更高的功率等級則采用200～800 V的高電壓方案成本更為有利。因此,對具有20 k W持續功率的電驅動系統而言,其所需的供電電壓應低于60 V,在這種情況下采用48 V電壓更具優勢。由于汽車電路中電能需求的不斷增長,例如隨著應用電動空調壓縮機或電動冷卻液泵呈現出電壓水平從12 V提升到48 V的趨勢,因而期望該48 V系統能逐漸形成規模效應,以降低生產成本。

2.3 模塊化48 V驅動系統

馬勒公司的模塊化48 V電驅動系統由變速器、功率電子器件(換流器)和電機3個主要部件組成(圖6)。因采用空心軸特定的扭矩分配,這種系統非常緊湊,在車輛上能進行靈活布置,可在現代電動車上作為唯一的電驅動裝置或者在采用P4后橋驅動布置型式的混合動力車上用作后橋電驅動裝置。在承受熱負荷的組件(如電機和功率電子器件)中集成冷卻系統能確保較高的功率密度和電驅動模塊的效率。表1列出了該電驅動模塊的特性數據。在最低供電電壓42 V時,系統可提供20 k W的持續功率,在36 V時仍有17 k W的機械功率可供使用,而在短暫加速時機械功率可提升到30 k W。而最大車橋可持續提供1 200 N·m的扭矩,短時間最高扭矩可達1 600 N·m。采用該驅動模塊的現代電動車的最高車速可達到100 km/h。

圖6 48 V驅動模塊

表1 電驅動模塊特性數據

2.4 牽引電機的設計

驅動模塊的核心是用作牽引動力的永磁式同步電機(PMSM)。48 V供電電壓、20 k W的持續功率,以及30 k W的峰值功率使這種電機的設計面臨一系列技術挑戰。該類電機具有較高的定子電流,但是卻受到電子器件及其半導體元件的限制。一方面,電子器件承受的較高電流會增加成本,因為需要布設數條平行的功率電路;另一方面,電流受到限制,意味著扭矩同樣會受到限制。此類目標沖突可采取特殊的轉子設計來得以解決。采取特殊的布置方式將磁鐵嵌入轉子中作為掩埋式磁鐵而產生磁阻轉矩疊加于電機轉矩上,以此就能顯著增加電驅裝置的功率密度。

圖7(a)示出了電機的特性曲線場。在80 N·m的高持續轉矩(峰值轉矩為110 N·m)下,通過減弱磁場優化轉子結構布置獲得了寬廣的轉速范圍,在用于蓄電池純電動車時電機的最高轉速可達12 000 r/min,而應用于插電式混合動力車時電機轉速則可提高到16 500 r/min,因此具有強大的動力性能和廢熱回收功能,可使車輛在高速公路上以最高速度行駛。同時,因具有較大的轉速跨度,一個固定的變速器傳動比通常僅用于力的傳遞,可降低系統的成本和復雜性,并且依然能滿足用戶對城市電動車輛的要求。

在主要運行工況點具有較高效率的前提下,該類系統設計能顯著降低車輛的能量消耗。圖7(b)將所需的車橋扭矩和車速與馬勒公司按照模擬計算出的效率特性曲線場重疊在一起,可清晰地看到在城市行駛中重要運行工況點的電機效率都處于96%～97%范圍內,而在州屬公路車速情況下的電機效率則達到了90%～94%。在恒定車速的情況下,持續功率能完全滿足要求,而短時間的峰值負荷也并未超出電機的最高性能指標。

圖7 48 V電動機的特性曲線場(a)和所需車橋扭矩與車速及驅動裝置效率特性曲線場的關系(b)

2.5 功率電子器件

功率電子器件由3個結構組合部件組成?？刂茊卧刂破鳌⒓钇骱蛡鞲衅髟?而換流器是一種具有平行布置的4個場效應管和帶有熱交換器的B6電橋,樣機結構如圖8所示?？刂破?、激勵器和傳感器元件配裝于邏輯電路板上。在上述結構布置中最大相電流為1 200 A。

2.6 電驅動模塊的熱管理

圖8 功率電子器件

開發的重點之一是可對驅動模塊進行最佳協調的熱管理系統。出于對使用壽命的考慮,在穩定運轉時電機的線圈繞組和磁鐵的溫度不可超過限值。集成在驅動模塊中的液體冷卻系統需確保上述部件的熱可靠性。冷卻液進入驅動模塊后首先流過電子器件的冷卻元件。電機的定子造成驅動系統的主要能量損失源于散熱量,此外在高扭矩工況時銅損占主要份額,而在高轉速范圍內則由鐵損起決定性作用。在電機殼體中,冷卻液從電子器件冷卻元件流向定子。馬勒公司已對冷卻液流量分布和接觸面積進行了優化,使得電機的線圈繞組與冷卻液之間的溫差最小。

2.7 模塊化結構

在開發電驅裝置時,馬勒公司對模塊化結構進行了重點關注。通過采用具有1個電機和空心軸結構,或者具有2個電機的雙動力單元和常規軸結構,即可精確地按需求調整系統[1],以此就能在應用方面具有較高的靈活性,例如該系統適合用于不同電動車上的唯一電驅動裝置,同樣也可作為混合動力車上的電驅單元或電動車橋。特別是在城市車輛上,良好的操縱性和機動性也是必不可少的。在具有2個電機的結構型式中,電驅單元可通過轉矩導向以實現這些性能。

3 動力總成系統結構

Meet電動車采用的48 V雙動力電驅動動力總成系統由2個獨立的電驅動模塊[2]組成,布置于車輛后橋旁(圖9)。2個電機在峰值時可提供30 k W功率,該狀態能持續長達1 min,可滿足20 k W持續功率的要求。每個驅動單元包括1個電機及其功率電子器件。這種布置方式因具有模塊化結構而在空間布置方面具有較高的靈活性,從而能應用于各種不同的車型上,而且如果每個電驅動單元驅動1個車輪的話,則無需額外的差動變速器。特別為Meet電動車開發的軟件功能,未來將單獨針對每個驅動輪控制其速度和功率。

圖9 馬勒公司Meet電動車的48 V雙動力電驅動模塊

電機方面則采用PMSM。因其在低電壓運行時具有較大的磁阻轉矩,馬勒公司將專門協調的轉子結構集成在電機系統中。

高靈活性、較小的轉彎半徑及易于操縱而駛入狹窄的停車空位等都是針對現代城市車輛方案而提出的重點目標,馬勒公司在48 V雙動力電驅動系統中實現了扭矩引導功能,此時通過將驅動扭矩分配到驅動輪而產生了一種同步轉向效果,從而主動影響車輛的轉向角。中央車橋變速器的單一傳動比可達11.0,因此即使在坡度為30%的上坡路和車輛滿載的情況下也能確保其具有較好的加速性能。

以表2所列的技術數據能進行包括各種不同行駛循環電能消耗在內的整車模擬,由此獲得Meet電動車的電動行駛里程。其最高車速確定為100 km/h,這是按照滿足短途高速公路行駛的要求所決定的。各種不同行駛循環的整車模擬結果示于圖10,圖中新歐洲行駛循環(NEDC)、全球統一輕型載貨車行駛試驗規范(WLTC)和實際行駛排放(RDE)中最高車速被限制在100 km/h。由于Meet電動車具有較高的總效率,因而其電能消耗僅為百公里7.9 k W·h,因此對于城區范圍內(斯圖加特行駛路線)195 km的行駛里程而言,一個容量為15.4 k W·h的廉價小型蓄電池就完全滿足需求。假如每天開車上下班平均行駛20 km,那么Meet電動車只需每隔7日在充電網站充電1次即可,因此其在駕駛樂趣方面總體上也算差強人意。駕駛動力性能模擬表明,Meet電動車從停車狀態1 s就能加速到16 km/h,3 s后就能加速到50 km/h,5 s后其車速就已達到70 km/h。

表2 馬勒公司Meet電動車技術數據

4 整車熱管理

圖10 馬勒公司Meet電動車整車模擬結果

眾所周知,輔助設備的電能需求對電動車的實際行駛里程具有顯著影響,其中車輛空調是重要因素之一,例如夏季車廂內的降溫和冬季的采暖。實際使用經驗及試驗和模擬數據都表明,在冬季環境溫度下的行駛里程會比額定值減少達30%～50%。在采用傳統內燃機的情況下則有足夠的廢熱可供車廂內采暖,而電動車的電機能量損失卻根本不足以用于車廂采暖,其采暖熱能必須由類似于蓄電池供電的正溫度系數加熱元件(PTC)的附加功能模塊來提供。但在城市車輛上,這種方法對行駛里程的影響過大,主要在于車輛質量輕和市內平均車速較低,原本用于行駛的能量需求就相對較低,而用于車廂內采暖的電能消耗則處于較高的水平。其次,如Meet電動車在典型的現代交通(在現有情況下按照平均車速為21 km/h的斯圖加特城市路線來模擬)中用于PTC取暖系統加熱的能量需求高于行駛的能量需求。

為了將用于采暖的能量消耗降低到最低程度,馬勒公司開發了一種新型空調方案,具有較高的工作效率而又不會降低舒適性。在所有采暖方案中,空氣被加熱并在車廂內流通,并可通過選擇座位和方向盤處的暖風予以補充,而這對于電動車而言并不經濟,因為這些采暖方法幾乎無法相互協調,要達到乘客的舒適體感仍需耗費較多的能量。與此相比,新方案是基于2個相互補充的系統而設計,通過應用局部表面加熱(圖11(a))將乘客達到舒適體感所需的能量減少到最低,為此將柔韌的加熱薄膜鑲嵌在儀表板、車廂內側壁面襯里和手臂擱座中,這些熱輻射可靈活地按需控制。例如能考慮到乘客的數量及其位置,且響應極快,這對于乘客歷時較短的短途交通具有特別意義,花費較少的電能加熱后通過與熱源的直接接觸就能使乘客很快體驗到舒適的感受。

圖11 可個人調節的局部表面加熱(a)和溫差電動熱泵(b)

采用該方案,雖然并未完全棄用傳統的方法加熱車廂內空氣,不過其在總加熱量中所占的份額卻明顯減少。如上文所述,低流量的熱空氣流仍然是必不可少的,例如為了保持車窗上無水汽及確保車廂內必需的換氣。在Meet電動車方案中,馬勒公司借助于電動冷卻液溫差熱泵(圖11(b))將預熱要求較低的車廂空氣流所需的能量減少到最低。這種熱泵使得電機、功率電子器件和蓄電池的廢熱可被加熱系統所利用。與冷卻液-壓縮機熱泵相比,這種電動溫差熱泵具有諸多優點：一是其為一種無活動零件且無損耗的固體器件;二是其功率系數(COP)約為2,該數值在同類產品中相對較高。在城市交通工況下電驅部件的廢熱的可用性是較為有限的,通常低于100 W,這使得附加采暖裝置的應用具有顯著意義,以此可滿足剩余的熱量需求。在配備有壓縮機熱泵的情況下,通常為此需使用1個單獨的PTC加熱元件,因而進一步提高了加熱系統的復雜性。與此相比,電動溫差熱泵無需附加部件就可充分發揮功效,因為其內部可提供必需的熱量,而動力總成系統的廢熱還需提升到相應的溫度水平。在某些運行狀況下,車輛蓄電池的熱慣性也能作為貯存式熱源為電動溫差熱泵所用。

在Meet電動車上,馬勒公司借助于新型智能技術,與采用天然冷卻劑CO2(R744)工作的空調裝置相結合,開發出了一種高效的熱功率系統和優質的舒適性系統。與使用PTC加熱器相比,在環境溫度為0℃的情況下,在WLTC行駛循環中,Meet電動車在蓄電池行駛里程方面所獲得的優勢增加到30%,而在斯圖加特行駛路線中甚至可增加到50%(圖12)。

圖12 創新的熱功率顯著增大車輛(開空調)的行駛里程

5 直觀的操作系統

采用直觀的操作系統使駕駛員在車輛行駛期間不必過度分心,可同時使用諸如導航系統、音響裝置和空調裝置等功能。馬勒公司已實現了直觀和簡易的操作系統,該方案能使用非接觸式手勢控制、個性化舒適性調節以及車內狀況預設等功能,例如在牽引蓄電池充電過程期間應用智能手機。

6 結論和展望

馬勒公司以Meet電動車表明了未來電動車技術開發時會面臨的挑戰以及具有的潛力,并基于動力總成系統熱管理及操縱方案而開發出了一種智能系統。Meet電動車兼顧高駕駛樂趣、低成本、高舒適性和較高的能量利用率,并采用48 V模塊化+電氣化的方案,從而無需在電壓超過60 V情況下采用法規規定的高成本電氣安全保障措施,同時研究出了一種可替代高電壓的低成本方案。不僅如此,電驅模塊的應用范圍也得以明顯擴大,其還可作為獨立的電驅部件靈活地應用于大型車輛的混合動力系統,從而有望通過量產以降低成本。由于提高了車輛的總效率,因而只需使用成本較低的小型蓄電池即可,不僅能確保其具有恰到好處的行駛里程,同時又能使車輛具有較高的舒適性。馬勒公司已成功地研究出最新型的電驅動模塊、表面加熱技術和電動溫差熱泵。