集成48V電機(jī)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計與開發(fā)研究

內(nèi)燃機(jī)電氣化是未來汽車發(fā)展的重要技術(shù)路線。內(nèi)燃機(jī)電氣化可以通過再生技術(shù)回收廢能，降低影響內(nèi)燃機(jī)效率的各種損失。介紹了1款可以集成在柴油機(jī)上的電機(jī)，采用48 V弱混系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的電氣化。電氣化內(nèi)燃機(jī)設(shè)計的首要任務(wù)是考慮其擴(kuò)展性，即車輛增加的空間最小化并可以配裝在其他不同車型上。與皮帶傳動起動/發(fā)電一體化電機(jī)替代前端輪系中的發(fā)電機(jī)的48 V弱混系統(tǒng)不同，將電機(jī)集成到曲軸上可以取消一些功能重復(fù)的零部件，如起動機(jī)和附件皮帶系統(tǒng)，并可以有效克服一些在實際行駛中內(nèi)燃機(jī)難以克服的缺點。動力總成電氣化技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合未來車內(nèi)通信或者自動駕駛技術(shù)可以進(jìn)一步降低車輛行駛中實時信息傳輸中浪費(fèi)的能量。隨著技術(shù)的發(fā)展，制氫和發(fā)電將不再產(chǎn)生溫室氣體，也不再利用化石燃料，這有利于環(huán)境保護(hù)。但在此之前，提高內(nèi)燃機(jī)效率和采用電氣化以彌補(bǔ)內(nèi)燃機(jī)的缺點仍然非常重要。

0 前言

內(nèi)燃機(jī)電氣化可以提高車輛的燃油效率，現(xiàn)代汽車開發(fā)了1款柴油機(jī)飛輪集成電機(jī)(下文稱為“P1系統(tǒng)”)，可以在已量產(chǎn)的前驅(qū)車型上應(yīng)用。這款集成電機(jī)直接與曲軸的后端相連，將電機(jī)轉(zhuǎn)子和飛輪集成在一起。通過采用P1系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)、起動機(jī)、皮帶輪系等功能重復(fù)的零部件可以被取消，同時采用電動水泵和電動空調(diào)壓縮機(jī)。另外，在皮帶傳動起動/發(fā)電一體化電機(jī)的48 V弱混系統(tǒng)(下文稱為“P0系統(tǒng)”)中，只是發(fā)電機(jī)被取代了，而P1系統(tǒng)可以通過降低附件傳動產(chǎn)生的損失和根據(jù)不同的控制策略對制動能量進(jìn)行回收，從而進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上難以克服，以及需要高成本去改進(jìn)的缺點可以通過電機(jī)以不同的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。例如，在渦輪遲滯時進(jìn)行轉(zhuǎn)矩助力，利用電機(jī)反相控制進(jìn)行振動控制，通過內(nèi)燃機(jī)起?？刂铺岣呷加徒?jīng)濟(jì)性，通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)降低氮氧化物(NOx)峰值等，配裝內(nèi)燃機(jī)的車輛性能因此得到了進(jìn)一步提升。特別是在采用集成電機(jī)取代了驅(qū)動齒輪型起動機(jī)后，在使用起停功能時，動力總成通過控制低速振動和改善駕駛性能，極大提高了乘客的舒適性。

對于前輪驅(qū)動車輛，由于周邊零部件的限制，內(nèi)燃機(jī)和變速器的安裝空間非常有限，同時驅(qū)動軸距離內(nèi)燃機(jī)也非常近?，F(xiàn)代汽車開發(fā)了1種二階定子鐵芯結(jié)構(gòu)，替代了傳統(tǒng)形狀的定子鐵芯結(jié)構(gòu)，從而避免了內(nèi)燃機(jī)與驅(qū)動軸的干涉。

為了讓現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)更加高效，在將48 V電壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化前，寶馬(BMW)公司已經(jīng)開發(fā)了1款42 V曲軸直接驅(qū)動的電機(jī)，并將其應(yīng)用到了柴油機(jī)上，在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)工況下，可以提高11%的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時改善了渦輪遲滯效應(yīng)，降低動力總成的振動。在通常情況下，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為柴油機(jī)直接驅(qū)動電機(jī)(P1系統(tǒng))相對驅(qū)動電機(jī)直連變速器(下文稱為“P2系統(tǒng)”)缺點更多，諸如制動能量再生時須克服內(nèi)燃機(jī)的阻力等。然而，P1系統(tǒng)取消了附件輪系，在能量再生時的諸多問題可以通過降低附件損失得以克服。高壓混合動力汽車(HEV)在進(jìn)行系統(tǒng)布置時，電池和電機(jī)需要更大的空間，因此其需要采用專用平臺或開發(fā)全新的安全零部件。

48 V弱混汽車(MHEV)可以用來應(yīng)對全球變暖和降低能源消耗，其主要任務(wù)是在車輛開發(fā)時以少量的投入最大化提高燃油經(jīng)濟(jì)性。要想達(dá)到這個目的，最合適的系統(tǒng)就是P0系統(tǒng)和P1系統(tǒng)，而P2系統(tǒng)和P4系統(tǒng)(電機(jī)安裝在后軸)由于需要對車輛作更多變更，同時投入巨大的費(fèi)用，與其帶來的效果不匹配。同時，48 V系統(tǒng)有助于提高車輛的電氣化水平，諸如采用自動駕駛、座艙娛樂系統(tǒng)和車輛控制設(shè)備等。

1 電機(jī)的開發(fā)

研究人員在進(jìn)行P1系統(tǒng)的電機(jī)開發(fā)時設(shè)定了最大功率、額定功率和最大轉(zhuǎn)矩目標(biāo)?？紤]到取消了齒輪型起動機(jī)，在本研究中，P1電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩依據(jù)起動機(jī)驅(qū)動齒輪比和2.2 L柴油機(jī)的怠速扭矩確定。從用戶安全考慮，冬天用戶在室外停車時要能用P1電機(jī)起動車輛。基于48 V系統(tǒng)的特性考慮，電機(jī)功率設(shè)定在20 kW以下?；趦?nèi)燃機(jī)功率考慮，在既能助力又可以取消傳統(tǒng)起動機(jī)的情況下，本研究中的電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩分別設(shè)定為15 kW和150 N·m。表1示出了該電氣化內(nèi)燃機(jī)的基本參數(shù)。

表1 電氣化內(nèi)燃機(jī)的基本參數(shù)

2 開發(fā)目的

為了降低快速電氣化帶來的巨大風(fēng)險，48 V電機(jī)系統(tǒng)是未來環(huán)境友好型車輛的中間橋梁。雖然配套48 V電機(jī)系統(tǒng)的動力總成的性能表現(xiàn)、燃油經(jīng)濟(jì)性和市場可接受度有待提升，但因其價格提高較小，與顧客需求和制造商的設(shè)計理念是相符合的。這有利于整車廠開發(fā)出比高壓HEV系統(tǒng)價格更低，對顧客更安全的車輛，這是因為即使人體觸碰到60 V的電壓沒有觸電風(fēng)險。如果電壓超過60 V(包括電壓偏差)，需要依法設(shè)計絕緣沖擊防護(hù)和碰撞安全措施，以保證用戶的安全。

同時，這也有利于提高車輛的電氣負(fù)載供應(yīng)。由于車輛附件增多，以及自動駕駛技術(shù)的開發(fā)，車輛用電量大幅增加，目前在用的12 V系統(tǒng)和24 V系統(tǒng)已經(jīng)到了極限，48 V系統(tǒng)是未來發(fā)展的替代選擇。

2.1 弱混汽車飛輪集成P1電機(jī)的設(shè)計方案

對于前驅(qū)橫置動力總成，曲軸直接連接電機(jī)作為單獨(dú)的模塊，在內(nèi)燃機(jī)和變速器之間布置通常會非常困難。同一車輛平臺，副車架之間的空間是有限的，內(nèi)燃機(jī)和變速器安裝到車輛的裝配間隙有嚴(yán)格的要求。為了在內(nèi)燃機(jī)和變速器之間增加電機(jī)，并且最大化縮短長度，這就需要整合諸多功能重復(fù)的零部件。取消附件皮帶系統(tǒng)可以補(bǔ)償增加電機(jī)帶來動力總成長度的增加。

如圖1所示，研究人員將飛輪與轉(zhuǎn)子集成設(shè)計并首先應(yīng)用在手動變速器上，將轉(zhuǎn)子集成到飛輪上，對定子和旋轉(zhuǎn)變壓器重新設(shè)計，使缸體后端面的凸出長度最小。

圖1 配裝手動變速器時飛輪集成電機(jī)示意圖

另外，研究人員對變速器的離合器殼體形狀進(jìn)行了優(yōu)化，以減少動力總成的長度。即使增加了電機(jī)，采用集成設(shè)計的動力總成的總長度僅增加了28 mm，電機(jī)增加的長度與原附件皮帶系統(tǒng)的長度相當(dāng)。在高性能內(nèi)燃機(jī)中，為了消除變速器接合時的內(nèi)燃機(jī)的扭矩波動和沖擊，通常會采用雙質(zhì)量飛輪(DMF)。轉(zhuǎn)子鐵芯和磁鐵集成在飛輪上可以大大提高飛輪的慣性質(zhì)量。增加的慣量質(zhì)量可以用于降低曲軸的旋轉(zhuǎn)振動，其減振效果比現(xiàn)有的雙質(zhì)量飛輪更好。表2示出了內(nèi)燃機(jī)開發(fā)時轉(zhuǎn)子和飛輪集成后的轉(zhuǎn)動慣量。從中可以看出，集成后的轉(zhuǎn)動慣量比手動變速器的轉(zhuǎn)動慣量大，因此隨著轉(zhuǎn)動慣量的增大，角速度波動隨之降低。

表2 各種變速器的轉(zhuǎn)動慣量

2.2 前驅(qū)車輛的電機(jī)設(shè)計

考慮到驅(qū)動軸的間隙要求，前驅(qū)車輛通過增加外徑，應(yīng)用同軸P1電機(jī)以滿足功率要求是非常困難的。如圖2所示，驅(qū)動軸和曲軸的距離不能改變，因此要控制電機(jī)的外形尺寸以避免干涉。

圖2 驅(qū)動軸和電機(jī)之間的距離

為了達(dá)到設(shè)定的功率和轉(zhuǎn)矩，研究人員需要優(yōu)化電機(jī)的長度和外徑。然而，增加軸向長度就會縮短周邊零部件與內(nèi)燃機(jī)的間隙，增加外徑則會帶來布置問題，即驅(qū)動軸和電機(jī)的間隙減小。后驅(qū)車輛在內(nèi)燃機(jī)周圍沒有驅(qū)動軸，電機(jī)的外徑只受限于內(nèi)燃機(jī)本體尺寸，因此其布置相對容易一些，如Daimler公司直列6缸柴油機(jī)。如圖3所示，研究人員分析了3種型式的電機(jī)，基于量產(chǎn)和功能考慮，最后選擇了二階電機(jī)方案。

圖3 3種型式的電機(jī)繞組概念

在優(yōu)化電機(jī)軸向長度和外徑的同時，為了達(dá)到設(shè)定的功率和轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)代汽車開發(fā)了1款電機(jī)，定子采用二階電機(jī)方案(圖4)。通過對安裝驅(qū)動軸的周邊形狀進(jìn)行仔細(xì)研究，采用這種設(shè)計可以使定子外徑最大化。

圖4 二階電機(jī)仿真結(jié)果

當(dāng)定子采用二階電機(jī)方案時，研究人員通過外形設(shè)計，分析計算了電機(jī)的功率損失和軸向力?？紤]到驅(qū)動軸的安裝，研究人員采用二階定子，重新開發(fā)電機(jī)，在增大外徑的同時縮短了軸向尺寸。如圖5所示，轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果表明，偏移量為4 mm以下時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩只會出現(xiàn)部分降低的情況。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩降低很少，轉(zhuǎn)矩目標(biāo)可以滿足設(shè)定要求。

圖5 二階電機(jī)仿真轉(zhuǎn)矩

2.3 匹配內(nèi)燃機(jī)前的電機(jī)臺架試驗結(jié)果

為確認(rèn)設(shè)計階段仿真的目標(biāo)性能和效率是否達(dá)標(biāo)，研究人員將電機(jī)安裝在底盤測功機(jī)上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩測量。如圖6所示，測量的逆變器效率高達(dá)92.3%。如圖7所示，測量的電機(jī)效率高達(dá)98.3%，在實際運(yùn)行區(qū)間效率甚至超過90.0%。如圖8所示，電機(jī)性能測量結(jié)果表明，制造零部件前通過仿真設(shè)定的目標(biāo)可以達(dá)到。

圖6 測量的逆變器效率

圖7 測量的電機(jī)效率

圖8 測量的集成電機(jī)性能

2.4 匹配雙離合變速器(DCT)和自動變速器(AT)的集成電機(jī)設(shè)計

在車輛開發(fā)時，P1電機(jī)布置的最大障礙是安裝布置，其需要克服不同變速器的軸向安裝尺寸的限制，如圖9所示。為了縮短內(nèi)燃機(jī)長度，研究人員采用內(nèi)燃機(jī)集成電機(jī)設(shè)計，并對不同變速器的電機(jī)轉(zhuǎn)子形狀進(jìn)行了優(yōu)化。與P2電機(jī)、P3電機(jī)(電機(jī)安裝在變速器和差速器之間)和P4電機(jī)結(jié)構(gòu)不同，P1結(jié)構(gòu)的電機(jī)安裝在離合器后的變速器側(cè)。單質(zhì)量飛輪、雙質(zhì)量飛輪、外減振器和變矩器的共同要求是要滿足變速器的匹配安裝，這對P1電機(jī)結(jié)構(gòu)非常重要。

圖9 傳統(tǒng)電機(jī)在DCT和AT變速器中的應(yīng)用

在P1電機(jī)結(jié)構(gòu)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子要集成設(shè)計的零部件分別是DCT的外減振器、手動變速器(MT)的飛輪和AT的變矩器。飛輪集成設(shè)計轉(zhuǎn)子相對容易，但是包含彈簧和減振結(jié)構(gòu)的外減振器需要重新設(shè)計，以保證減振性能和轉(zhuǎn)矩傳遞。至于變矩器，需要采用創(chuàng)新設(shè)計以重新檢驗內(nèi)離合器和環(huán)面結(jié)構(gòu)，并將其置于轉(zhuǎn)子的空余空間。因此，開發(fā)費(fèi)用和零部件費(fèi)用大大增加。如圖10所示，對于DCT和AT動力總成，直接在離合器位置前布置電機(jī)，將增加內(nèi)燃機(jī)長度，并且存在安裝困難的問題。

圖10 傳統(tǒng)電機(jī)在DCT和AT中的應(yīng)用

Daimler公司發(fā)明了集成轉(zhuǎn)子的變矩器，可以應(yīng)用于P1電機(jī)，并且可以根據(jù)裝配需要進(jìn)行特殊設(shè)計變更。對于手動變速器來說，該變矩器通過簡單集成設(shè)計可以節(jié)省空間，但是對于AT和DCT變速器需要進(jìn)一步開發(fā)，因為需要在固定的空間內(nèi)集成減振器或者變矩器的功能。

2.5 P1電機(jī)逆變器和電氣架構(gòu)的開發(fā)

48 V P1電機(jī)系統(tǒng)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)通信和電氣連接如圖11所示。為了控制電機(jī)，故障保護(hù)功能在電機(jī)控制器(逆變器)中實現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行模式可以通過CAN 通信由發(fā)動機(jī)控制單元(ECU)控制和連接。電機(jī)運(yùn)行模式共分為4種策略：空檔、電機(jī)助力、發(fā)電和轉(zhuǎn)矩控制。每種策略中通過CAN通信確認(rèn)ECU傳遞和接收的信號無誤后實施內(nèi)燃機(jī)和車輛評估。由于電機(jī)粘連保護(hù)試驗在臺架上無法再現(xiàn)，故障保護(hù)試驗可確認(rèn)除電機(jī)粘連保護(hù)以外的功能，通過其他功能試驗可以評估電機(jī)失效或者傳感器故障的發(fā)生。

圖11 48 V弱混系統(tǒng)的控制和網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.6 P1電機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性

通過應(yīng)用P1電機(jī)系統(tǒng)提高燃油經(jīng)濟(jì)性，可以從3個方面進(jìn)行分析。第一，通過取消附件皮帶系統(tǒng)可以達(dá)到無皮帶連接內(nèi)燃機(jī)的效果；第二，通過制動再生進(jìn)行能量存儲；第三，通過電機(jī)助力避免瞬時多余燃油消耗。除了上述3方面因素外，應(yīng)用P1電機(jī)系統(tǒng)的集成起動/發(fā)電一體化電機(jī)(ISG)在一定程度上可提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

電氣化內(nèi)燃機(jī)可以通過開發(fā)諸多控制邏輯持續(xù)改善以最大程度提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在D級乘用車上，轉(zhuǎn)矩儀安裝在減振皮帶輪上，用于測量附件系統(tǒng)的損失。在高速行駛工況下，內(nèi)燃機(jī)平均驅(qū)動扭矩?fù)p失為7.6 N·m?？紤]到內(nèi)燃機(jī)平均扭矩每損失1 N·m 會帶來1.0%~1.5%的燃油經(jīng)濟(jì)性差異，因此取消附件皮帶系統(tǒng)有望對燃油經(jīng)濟(jì)性帶來5%的收益。研究人員使用P1電機(jī)直接連接到曲軸，很容易根據(jù)發(fā)電機(jī)的效率調(diào)整內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷。對于應(yīng)用最多的皮帶傳動的P0電機(jī)系統(tǒng)，發(fā)電效率是85.0%，電機(jī)效率是80.0%。通過P0系統(tǒng)分擔(dān)內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷以提高燃油效率相對比較困難。

對于P1電機(jī)和P2電機(jī)系統(tǒng)軸向電機(jī)的應(yīng)用，電機(jī)的直徑可以設(shè)計得比P0電機(jī)和非軸向型式電機(jī)的直徑大，發(fā)電效率可以達(dá)到95.0%。在不同模式下，與低負(fù)荷區(qū)域發(fā)電時的燃油消耗相比，中負(fù)荷或高負(fù)荷區(qū)域采用轉(zhuǎn)矩助力有利于燃油經(jīng)濟(jì)性的最大化。提高電機(jī)效率有助于更主動地調(diào)整內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷，從而提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

對于采用P1同軸電機(jī)的中型運(yùn)動型多功能車(SUV)自動變速器車輛，評估結(jié)果表明，在全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)(WLTC)工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了7%。

2.7 P1同軸電機(jī)性能

相較于P1非同軸電機(jī)或P0電機(jī)，P1同軸電機(jī)在功率傳遞過程中沒有損失，因此電機(jī)功率可直接用于動力總成輸出。不同于內(nèi)燃機(jī)，即使在低速時，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也不會有延遲，這解決了發(fā)動機(jī)扭矩響應(yīng)遲滯的問題?；陔姍C(jī)在低速時，轉(zhuǎn)矩特性無時間延遲，48 V電池可以為內(nèi)燃機(jī)的動力輸出產(chǎn)生助力，這也極大提高了電氣化動力總成的響應(yīng)性，圖12為電氣化內(nèi)燃機(jī)的扭矩輸出曲線。圖13為電氣化內(nèi)燃機(jī)的功率輸出曲線。

圖12 電氣化內(nèi)燃機(jī)的扭矩輸出曲線

圖13 電氣化內(nèi)燃機(jī)的功率輸出曲線

3 結(jié)語

通過優(yōu)化P1電機(jī)，整機(jī)廠可以開發(fā)出電氣化內(nèi)燃機(jī)。研究人員將48 V P1電機(jī)與曲軸相連，取消了皮帶系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、起動機(jī)和飛輪等多余零部件。相較于P0電機(jī)系統(tǒng)，P1電機(jī)系統(tǒng)取消皮帶系統(tǒng)附件，可以減少內(nèi)燃機(jī)性能輸出損失。通過開發(fā)制動再生和轉(zhuǎn)矩平衡等控制邏輯，相較于現(xiàn)有配裝傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的車輛，匹配P1電機(jī)系統(tǒng)的電氣化內(nèi)燃機(jī)的燃油效率得以提高。并且，在應(yīng)用電機(jī)后，研究人員可以開發(fā)出更多控制邏輯，以實現(xiàn)更多功能來彌補(bǔ)內(nèi)燃機(jī)的缺點，如提高燃油經(jīng)濟(jì)性，通過反相位控制衰減二階振動，通過轉(zhuǎn)矩平衡改善NOx排放峰值，通過電機(jī)轉(zhuǎn)矩助力改善內(nèi)燃機(jī)起動性能。

審核編輯 ：李倩