博格華納公司第2代電動增壓器

H.BREITBACH R.CHRISTMANN H.GABRIEL D.METZ

隨著汽車越來越趨向于采用電氣化、大功率和更高的電路電壓，電動增壓有了新的發展動向。鑒于電動增壓器的發展條件和要求，博格華納公司已改進了其電動增壓器。需要改進的因素除了性能和可靠性之外，還包括電功率和噪聲特性。為了滿足當前和未來發動機方案的高要求，博格華納已對整個電動增壓器裝置進行了優化。電氣化;電動增壓器;電功率;噪聲

0 前言

根據排放法規和降低汽車燃油耗的要求，部分汽車企業開始開發具有更高效率和更清潔的發動機。為提供良好的駕駛體驗，要求發動機通過小型化和低速化以降低燃油耗，同時改善低轉速范圍的扭矩和加速響應性能。

為了能滿足對燃油耗和功率的高要求，制造商采用了不同的動力總成電氣化方案。與傳統的12 V汽車電路相比，電壓更高的48 V系統在效率方面能獲得很大的提升，例如電動增壓能在低轉速范圍獲得更大的扭矩，并且無渦輪空穴現象，因此能獲得良好的加速響應性能。

隨著電壓數值的不斷升高，系統電氣化的不斷發展，以及電動機技術、電子技術和微處理器容量的進一步優化，使得電動增壓系統的應用日益廣泛。目前，在48 V電壓下，緊湊的電動機同樣能實現10 kW的功率等級。博格華納公司的eBooster電動增壓器即使在發動機低負荷情況下也能高效地工作，如兩級渦輪增壓器系統一樣可以覆蓋渦輪增壓器全負荷運行范圍，這樣就能達到更快的增壓壓力響應，并高效地產生增壓壓力。由于電動增壓無需渦輪增壓器，因此更利于其在高負荷工況下的運行，同時使得排氣歧管中的廢氣背壓更低，以此獲得更高的功率和更低的燃油耗。

1 第2代電動增壓器產品

2017年，博格華納投產的第1代48 V-eBooster電動增壓器已在2020年初被第2代產品替代，提高總效率和使用2.5 kW電功率持續運行的可能性是研究人員開發的重要目標。第1代產品容許每分鐘以最大5 kW的電功率動態運行約20 s。

在這方面，博格華納已使用永磁式同步電動機（PMSM），它在加速期間需要的能量比磁阻電動機少。除此之外，永磁式同步電動機的特點是噪聲水平非常低，同時加速響應時間短，并具有較高的效率和扭矩密度。為了保持這些優點，博格華納仍保留了永磁式同步電動機方案。與第1代產品相比，第2代電動增壓器降低了轉子和壓氣機的轉動慣量，以便能進一步降低功率消耗，并更快地加速。表1列出了第1代和第2代電動增壓器的比較。圖1示出了第1代和第2代eBooseer電動增壓器的橫剖視圖。

第2代電動增壓器實現了進一步改進，如可靠的轉子可用于更高的轉速，減小慣性可減少能量消耗，將定子與功率電子器件聯結在一起能減少電阻，并提升效率。此外，第2代電動增壓器的特點是新開發的電磁兼容（EMV）濾波器具有更低的功率損失和更高的濾波效率，微處理器具有更強的計算能力用于磁場導向調節（FOC）和以模型為基礎的軟件零部件保護過程中，從而使系統持續運行。圖1示出了第1代和第2代eBooster電動增壓器的橫剖視圖比較。顯然，相似的設計同樣也具有許多細節變化。

2 正弦換相和阻塞換相

新的eBooster電動增壓器應用正弦換相替換第1代所用的阻塞換相。頻率和振幅可變的三相換相是由直流電壓永磁式同步電動機驅動過程所產生的，而用于功率級的3個半電橋開關信號是由無傳感器的FOC產生的。

在阻塞換相的情況下，每個相的電流得以快速變化，而在正弦換相時的軟轉換引起的電流波動較小，電動機中的渦流損失較小，并且能獲得較高的峰值功率和eBooster電動增壓器的持續運行。表2歸納了2種控制方式最重要的特點。

相電流被FOC分成由磁場產生的電流（id）和由扭矩產生的電流（iq）2個矢量，這就使得永磁式同步電動機能在弱磁場范圍內運行，這在電壓非常低的運行工況點或在扭矩需求降低的高轉速情況下是較為有利的。

新機型的主要特點是在28 kHz脈寬調制（PWM）情況下，采用比例積分（PI）調節器的40 μs循環時間，以此實現較快的電流和轉速調節。所有三相的電流測量借助于以模型為基礎并應用于硬件和軟件的零部件保護，以及持續增壓的過電流保護。

圖2對FOC的優點進行比較，從中可以看出電動機功率和扭矩與電動機轉速的關系。電壓為42 V，這是48 V系統在蓄電池負荷和所測量的充電狀況下的典型電壓。新的EMV濾波器能更高效地供應直流電，從而能獲得更高的功率，甚至能在高轉速、低電壓及較短的運行時間內使功率提高55%，并可產生弱磁場的效果。

3 軟件零部件保護

為了保護零部件，研究人員在印刷電路板上設置了3個熱敏電阻溫度傳感器。這些傳感器不僅能用于測量冷卻液的溫度， 而且還可測量印刷電路板上的控制和功率電子器件的溫度。研究人員通過基于傳感器測量的模型查明臨界溫度，由此推導出了零部件保護策略，該策略可根據臨界范圍內容許的最高溫度以智能化地降低功率。甚至在使用條件較為惡劣的情況下，這種溫度模型能使eBooster電動增壓器的零部件避免過高的熱負荷。這些計算得到的溫度按百分比被劃分成范圍，并被綜合成負荷指標，最高溫度決定了這種指標的百分比，汽車電控單元通過控制器局域網絡（CAN）總線接口能傳遞過熱報警和溫度警告，從而進行溫度管理。

4 最佳電磁兼容濾波器

研究人員考慮到兩代eBooster電動增壓器的技術特點，在主印刷電路板與直流電源之間使用了EMV濾波器，但是仍有必要進行改進，以便同時滿足更高功率和更低成本的目標要求。同時，研究人員已優化了節流效果，以便按照全新的設計方案以相同的節拍和不同的模式發揮濾波器的作用。

第2代電動增壓器將不同和相同節拍的節流方式組合在1個零件中，在鐵氧體磁芯設計情況下鐵氧體外環被用作共模阻抗，而簧片與預先確定的空氣隙和外環一起被用作推挽阻抗。

這種設計的主要優點是因母線中的電流密度小且直流損失較少，而且能通過磁芯設計來影響不同的模式，并且磁通量主要保留在磁芯中。

5 商用車用途

eBooster電動增壓器不僅適用于轎車發動機，而且也適用于排量為5 L的商用車發動機，它能使小排量發動機替代排量大出50%～60%的發動機，同時不會降低功率和扭矩，而且仍能保持原有的加速響應性能，甚至還會在一定程度上有所改善。圖3示出了發動機在發動機試驗臺上穩態運行試驗結果的比較。

非公路用的中等尺寸發動機通常應用于穩態全負荷及非瞬態等不同應用場合。eBooster電動增壓器通過接通在發動機最佳運行工況點的行程，以改善低轉速范圍內的經濟性。

6 結語

博格華納公司的eBooster電動增壓器是對傳統渦輪增壓器的補充，能使發動機實現小型化和低速化，并能降低發動機燃油耗。在48 V汽車電路中能產生高

達7 kW的電功率，并能轉換泵吸功率。通過改善控制就能以2.5 kW持續運行，并且在低轉速范圍內也能獲得良好的扭矩特性。研究人員開發的最重要目標是改善功率電子器件、電動機和壓氣機的效率，從而得到了較高的總效率，這有助于減輕汽車上電系統的負荷，并改善電磁兼容性和噪聲特性。eBooster電動增壓器也可用于提高發動機低轉速時的增壓壓力，使加速響應的時間少于190 ms，同時獲得出色的加速響應性能。該類增壓器可用于轎車和商用車上。