奔馳M264發(fā)動機48V車載電氣系統(tǒng)介紹

◆文/福建 林宇清

一、概述

隨著科技的發(fā)展和生活的提高，人類對汽車舒適品質(zhì)的要求也越來越高。梅賽德斯-奔馳近年來通過按摩座椅、座椅加熱器和電熱杯座等功能增強了舒適性，但功能越多，對電能的需求也隨之增加。這樣，在傳統(tǒng)的12V車載電氣系統(tǒng)基礎上，成功開發(fā)了48V車載電氣系統(tǒng)，其電壓比12V系統(tǒng)高四倍，彌補了12V車載電氣系統(tǒng)的不足，但它并未替代12V系統(tǒng)，而是在12V基礎上進行了延伸，從而實現(xiàn)更高的輸出功率(圖1)。另外，48V車載電氣系統(tǒng)的電壓直接定位為最大60V直流(DC)的接觸保護法定限值，它無需高壓車載電氣系統(tǒng)的高安全性和個人保護措施。

圖1 48V電壓范圍

二、組成部件

48V車載電氣系統(tǒng)除了首先應用在M256發(fā)動機上，還應用于新型四缸火花點火式發(fā)動機M264上，在裝配發(fā)動機M264的情況下，采用皮帶驅(qū)動啟動機發(fā)電機(BSA)，而非12V發(fā)電機和啟動機。除了發(fā)電機功能，其也可使用來自48V車載電網(wǎng)蓄電池的能量生成扭矩以輔助內(nèi)燃機。48V系統(tǒng)與內(nèi)燃機的相互作用可產(chǎn)生更好的響應性，使發(fā)動機啟動更快更平順，并減少了油耗。該系統(tǒng)由不同的48V部件和線路構成(圖2)，以下對此進行簡要介紹。

圖2 48V系統(tǒng)組成部件

1.皮帶驅(qū)動啟動機-發(fā)電機(BSA)

在有些M264發(fā)動機的電源版本中，12V的啟動機和發(fā)電機被皮帶驅(qū)動啟動機-發(fā)電機所取代(圖3)，標準的皮帶張緊器替換為回轉(zhuǎn)皮帶張緊器(圖4)。啟動機-發(fā)電機通過剛性皮帶輪集成在皮帶驅(qū)動裝置中，為48V車載電氣系統(tǒng)發(fā)電，產(chǎn)生的電能可通過直流/直流轉(zhuǎn)換器在12V和48V車載電氣系統(tǒng)之間交換。另外，啟動機-發(fā)電機還可利用來自48V蓄電池的能量產(chǎn)生扭矩，以支持內(nèi)燃機，該扭矩既可以是正扭矩 (支持) 也可以是負扭矩 (回收)，可以使發(fā)動機更有效地運轉(zhuǎn)，并將多余的能量存儲在48V蓄電池中。內(nèi)燃機與48V車載電氣系統(tǒng)的配合使用實現(xiàn)了有效運轉(zhuǎn)，從而降低油耗和二氧化碳 (CO2) 的排放量，同時明顯改善了車輛的響應性。此外，發(fā)動機的啟動速度和舒適性也得到明顯提高。

圖3 M1/10啟動機-發(fā)電機

圖4 回轉(zhuǎn)皮帶張緊器

2.48V車載電網(wǎng)蓄電池(G1/3)

位于發(fā)動機艙右側(cè)，與N83/1集成為一體，用于向48V車載電氣系統(tǒng)供電，例如充電、傳動系統(tǒng)、加熱和制冷等功能，它由蓄電池管理系統(tǒng) (BMS)、鋰電池離子(12個)、散熱片、傳感器等元件構成(圖5)，傳感器監(jiān)測蓄電池電壓、電流和溫度等相關的內(nèi)部變量，測得的數(shù)值在蓄電池內(nèi)部由BMS進行處理。此外，BMS通過LIN總線與N83/1通信。48V蓄電池具備“平衡功能”，使各電池維持在相同的充電水平，該功能不僅用于保持蓄電池能量及其輸出方面的最佳性能，而且還能防止各電池過早老化，延長蓄電池的使用壽命。

圖5 48V電源裝置

3.直流/直流轉(zhuǎn)換器(N83/1)

48V車載電氣系統(tǒng)通過直流/直流轉(zhuǎn)換器控制單元與12V車載電氣系統(tǒng)相連接，換言之，直流/直流轉(zhuǎn)換器(圖6)取代了傳統(tǒng)的12V發(fā)電機，是48V系統(tǒng)中能源管理的主控制單元，它計算啟動機-發(fā)電機 (M1/10)輸出的電流和電壓限值，以實現(xiàn)48V蓄電池的電荷平衡，并確保啟動性能。通過直流/直流轉(zhuǎn)換器電能可在48V和12V兩個等級之間轉(zhuǎn)換，在行駛或發(fā)動機關閉期間，N83/1將48V的電能轉(zhuǎn)化為12V以向車載蓄電池充電，即降壓模式。此外，N83/1通過LIN總線讀取48V蓄電池的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)通過CAN網(wǎng)絡傳送至傳動系統(tǒng)控制單元進行評估，在電流和電壓限值或特定溫度充電特性的基礎上，傳動系統(tǒng)控制單元計算M1/10的運轉(zhuǎn)模式，為48V蓄電池提供最佳充電水平。

4.48V車載電氣系統(tǒng)熔絲盒

位于發(fā)動機艙的48V熔絲盒(圖7)將48V電源的電能分配至各用電設備，如果出現(xiàn)故障，則必須更換整個部件，不得更換單獨的熔絲或打開熔絲盒。

圖6 直流/直流轉(zhuǎn)換器

圖7 F153/2 48V熔絲盒

5.熱敏熔絲

在發(fā)生事故后，為了避免造成火災，輔助防護系統(tǒng)控制單元 (N2/10) 會觸發(fā)熱敏熔絲斷開(圖8)，即斷開30c回路，從而使48V部件關閉48V車載電氣系統(tǒng)。

圖8 F63熱敏熔絲

三、冷卻功能

電動冷卻液泵 (M75/11)循環(huán)熱交換所需的冷卻液，它由ME通過LIN線促動，因此，不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速影響，可更快達到工作溫度。當滿足冷卻液溫度低于75℃和空調(diào)控制單元(N22/1)未發(fā)出“加熱”請求時，電動冷卻液泵停用。在冷啟動時階段，發(fā)動機管理系統(tǒng)通過切斷電動冷卻液泵來停止冷卻液循環(huán)，從而使發(fā)動機快速加熱升溫，且減少廢氣排放。對于采用48V技術的車輛，除了傳統(tǒng)的發(fā)動機冷卻回路，還包括低溫回路1和2(圖9)。為避免48V蓄電池和直流/直流轉(zhuǎn)換器過熱，將這兩個部件集成在獨立的低溫回路2中，由低溫回路循環(huán)泵2通過冷卻器2來輸送冷卻液，傳動系統(tǒng)控制單元評估低溫回路2溫度傳感器，然后根據(jù)需相應地促動循環(huán)泵2，使冷卻液流經(jīng)48V蓄電池和直流/直流轉(zhuǎn)換器控制單元，吸收該處產(chǎn)生的廢熱，從而確保48V系統(tǒng)在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作。

不同于傳統(tǒng)的12V發(fā)電機或啟動機設計，啟動機-發(fā)電機與變速器油熱交換器連接，冷卻液通過啟動機-發(fā)電機冷卻液泵進行循環(huán)，用以冷卻高溫回路，防止高溫回路中溫度不斷升高。ME根據(jù)啟動機-發(fā)電機溫度和變速器油溫信號，在0～100%之間促動冷卻液泵。

四、充電功能

如果BSA不能再提供所需電量輸出，那么能源管理系統(tǒng)會通過減少用電設備來降低載荷，防止48V蓄電池過載，繼而可以保持發(fā)動機的啟動性能。當蓄電池能夠再次提供所需的電量輸出時，用電設備重新啟用。在車輛行駛期間，一直保持對48V蓄電池充電，以確保在怠速時能夠給車載電網(wǎng)蓄電池(12V)再充電，這可以減小了12V蓄電池的尺寸和減輕重量。

當12V車載電氣管理系統(tǒng)識別到蓄電池充電量低時，會發(fā)送再充電的請求至48V電氣管理系統(tǒng)，然后48V管理系統(tǒng)檢查蓄電池中的電量是否足夠?qū)?2V蓄電池進行再充電，如果電量充足，直流/直流轉(zhuǎn)換器開啟，對12V蓄電池進行充電(圖10)。

當電量不足時，48V蓄電池無法給車載蓄電池進行再充電，那么充電就會停止，在這種情況下，12V電氣系統(tǒng)的安全預防措施啟用，例如會進行深度放電保護。通常情況下，在車輛閑置一個月以上時需要進行此操作，目前對駕駛員沒有明顯的限制。如果兩個蓄電池都已充滿電，那么這兩個蓄電池之間不會起任何反應(圖11)。

如果48V蓄電池不能提供發(fā)動機啟動所需的電量時，那么必須對蓄電池充電。與傳統(tǒng)車輛一樣，需要連接12V充電器 (充電電流大于10A) 或?qū)⒁褑拥能囕v連接到12V跨接啟動的連接點上。12V電氣管理系統(tǒng)在識別外部充電后，告知48V電氣管理系統(tǒng)啟用48V/12V直流/直流轉(zhuǎn)換器，并將來自12V電氣系統(tǒng)的電能傳輸給48V車載電網(wǎng)蓄電池充電(圖12)。

五、通信框圖

圖9 冷卻回路

圖10 車輛未行駛時再充電

圖11 兩個已充滿電的蓄電池

圖12 外部充電

圖13 通信框圖

有關48V車載電氣系統(tǒng)的再充電功能及其控制過程，可借助以下的框圖加強理解:直流/直流轉(zhuǎn)換器控制單元通過LIN總線讀取48V蓄電池的數(shù)據(jù)，據(jù)此計算允許的電流和電壓限值，并將這些數(shù)值通過車內(nèi)控制器區(qū)域網(wǎng)絡、點火開關和懸掛Flex Ray發(fā)送至傳動系統(tǒng)控制單元，然后傳動系統(tǒng)控制單元在對其進行評估的基礎上計算啟動機-發(fā)電機的最佳運轉(zhuǎn)模式，從而為48V車載電網(wǎng)蓄電池提供最佳充電水平，同時傳動系統(tǒng)控制單元還通過混合動力控制器區(qū)域網(wǎng)絡與啟動機-發(fā)電機進行通信，將運轉(zhuǎn)模式發(fā)送至啟動機-發(fā)電機，后者隨之采用該模式，并反饋運轉(zhuǎn)率(圖13)。