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[分享] 模块化的电力驱动

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发表于 2015-10-9 23:57:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
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目前,纯电动汽车还没有成为利基产品大批量上市,因此,寻找新的途径把电力驱动作为配合汽车驱动力的一部分也纳入大批量的汽车生产之中就非常重要了。在探索这一新途径的过程中,大陆集团计划用模块化技术更好地实现汽车的电力辅助驱动系统。
        虽然电动汽车没有像人们预期的那么快地进入市场,但有关电动汽车的基本设想——在汽车驱动系统中使用电力能源,这已经是毫无争议的节能减排的有效措施了。
        为了尽可能地在汽车驱动系统中充分发挥电力能源的优势,人们静心思索之后认为,把内燃机和电动机组合在一起才是当前阶段最理想的汽车动力,于是,混合动力又回潮了,而且各大汽车厂商还推出了很多更方便于用户使用的插电式混合动力轿车。
        插电式混合动力汽车有三大特点,一个是插电式混合动力车本身所具有的,另外两个是与其他混合动力系统所共有的,其技术特点是:
        1.电动机几乎全部用于输出转矩以驱动车辆,能够有力地帮助或者取代内燃机,尤其是当内燃机在低效率的工况下(负载点偏移)运行时。根据车辆和蓄电池的不同设计,这种混合动力车辆的最典型的行驶距离为5~10km。
        2.在车辆发电机停止工作时,电动机能够回收制动时多余的动能,而在传统的汽车中,这种多余的动能都变成热量和/或者阻力而浪费了。
        3.利用了插头充电的可能性,因此这种插电式混合动力汽车中不像电动汽车那样需要专门的蓄电池,因为50km的行驶距离基本上能够满足大多数用户的日常需要。车辆本身的蓄电池也无需容纳更强大的电力,因为不是插上插头充电,就是由内燃机来完成长距离的行驶任务。
        总之,插电式混合动力因这些优点而踌躇满志。
       

模块化的电力驱动

模块化的电力驱动

        自动起停技术脱颖而出
        作为12V驱动的成员,只有一种混合动力成功地进入了大批量输出应用,那就是在堵车时负责起动—停止的自动起停系统,这一系统在大批量生产的汽车中正在得到越来越广泛的应用。它是入门级的汽车电气化,早先人们把这种电气化也称为“微混合电力”。为什么自动起停技术能够脱颖而出呢?因为它相对来说比较经济合理,有着明显的节油优点,也有着比较透明的性价比。
        在略高一级的混合动力中,也就是在所谓的“中度混合动力”中,情况就完全不同了。中度混合动力使用的蓄电池主要是高电压技术的蓄电池,因为只有这样才能显示出其较大的节油优点。由于车辆起动时所需的典型电压高达120V,因此,相关的安全保障要求和搭载不同系统对车辆结构的深刻影响使得12V的自动起停系统与中度混合动力之间有着很高的价格差异。而自动起停系统与200~450V的全混合动力之间的价格差异就更大了。以往的经验已经告诉我们:面对这样的价格,许多用户都会望而却步。
        这种情况下,大陆集团尝试找出了新的路径:仔细地梳理汽车消费者的要求,细分为若干等级,然后逐步贯彻落实。首先要能够为现有的车辆提供量身定制的电气化等级,而不是一下子就拿出一个完全不同的很多针对新车型的方案,因为这样容易脱离现有的技术基础。
        这样一来就要填补12V自动起停系统与高电压系统之间的空白,把高电压技术的集成费用降下来。
       

模块化的电力驱动

模块化的电力驱动

        易于集成的低压混合动力
        当一些12?V的汽车技术在市场中站稳脚跟之后,相关厂商就开始了第二阶段48V汽车技术的推进,他们希望在不采用高电压技术的基础上采用更多的中度混合动力技术。
        按照这样的设计理念,大陆集团开发的48V Eco Drive(见图1)就是具有成本费用优势的混合动力系统,因为它使用的是低于60V DC的电力,按照ECE-R 100的规定和要求,无需采取防触电保护措施,而且也无需对原车型的发电机和变速机构进行改动。较低的电压虽然意味着回收再利用的功率比高电压系统要低,但却可以减少13%的CO2排放(由NEDC欧洲行驶循环测试),所付出的代价也不多(见图2)。所节约的燃料是混合动力能量回收再利用和扩展的自动起停系统功能的结果。这里的所说的自动起停系统的扩展功能是在车辆停止行驶之前就中断了向发电机供油,这样就可以使需要在较高能量(大于2.5kW)的车内车载设备在48V的环境下经济地实现节油和减排的目的。
        48V的电动机在起动发动机工作时非常安静,能够顺畅地在140ms的时间内起动车辆。另外,即使是环境温度-10℃时,48V的自动起停系统也能正常工作。性能强大的锂离子电池有着足够的能力在长时间堵车后有效地驱动电动机,无需切换到内燃机驱动。
        48V Eco Drive混合动力的功能之中还包括了车辆行驶时的转矩助力:电动机可以输出把发动机带到怠速运行的转矩。在负载变化时,这一功能起到了很好的补充和帮助作用。
       

模块化的电力驱动

模块化的电力驱动

        对于这一面向未来的技术,大陆集团制造了48V Eco Drive的概念车(见图3)。这一概念车中使用了RSG皮带式起停一体机,其优点是能够很容易地集成安装到汽车中,因为它使用的是现有汽车发电机所使用的安装空间。为了使电动机的更换更加方便,大陆集团把汽车电动机所需的电子器件都集成到电动机中了。所用的蓄电池也是从与SK创新技术公司的合资公司中选择的,其外形尺寸几乎与12V铅酸蓄电池没有差别,但却有着更高的能量密度,也有着更高的性能。
        在迄今为止的试驾行驶中,这种自动起停系统显示了比传统自动起停系统有着更好的起—停交替性能,证明了它具有很好的起动性能和滑行性能以及能源回收再利用的性能。因此,大陆集团研发团队对试驾结果非常乐观。第一阶段模拟的节油13%的优点在当前的试驾测试中得到了验证。这一数字在各个已经完成的城市市区内的交通测试中、在新的接近实际行驶的测试循环中(例如WLTP测试循环),都属于高水平的节油结果了。
        插电式混合动力的模块化
        毫无疑问,48V Eco Drive可以在现有车辆的平台上很容易地集成并实现,但在强混系统中,是否也行得通呢?理论上是否能够把插电式混合动力的功能进行移植吗?
        大陆集团用他们创新性的插电式混合动力车进行了尝试,证明了这种电动化技术也是插电式混合动力的可选配置。在增加一定的费用以便能够使插电式混合动力与柴油车进行竞争这一条件下,大陆集团对一辆市场常见车型进行了改装,从而使改装车127g/km的CO2排放减少到40g。这一数据相当于ECE-R101标准中平均油耗只有1.5L的水平。需要注意的是,这次改装未对车辆原有的发动机和变速器做任何一点改动,而是只对车辆的控制系统做了相应的调整。
        试验样车中搭载的是1.2L汽油发动机(77kW),采用了汽油直喷技术和涡轮增压技术,前桥经双离合器变速器驱动,电力驱动系统集成在车辆的后桥上。这一系统由一个结构紧凑的电动机(80kW)、离合器、减速器和差速器组成。这一配置方式中可以使车辆实现传统的发动机驱动、电力驱动以及超越离合控制的四轮驱动等驱动方式。在驾驶员和副驾驶员座椅下安装的是355V的高电压锂离子蓄电池。控制系统承担着高功率密度电力驱动的控制任务。在这一控制系统中,除了把蓄电池的直流电转换成电动机所需三相交流电的直流/交流转换器之外,还有为12V汽车起动电网供电的DC/AC变压器。
        以上介绍的效率数据在很大程度上是基于利用具有负载管理功能能源管理系统的结果。这一能源管理系统利用路段信息对车辆当前路段的行驶战略进行了优化,供驾驶员选择,它能够把车载导航系统提供的数据智能化地利用起来。在车辆长距离行驶时,首先利用发动机驱动车辆,当车辆行驶到“零排放”路段时才让电动机驱动车辆。
        插电式混合动力的电力驱动技术源于大批量生产的电动汽车,其他的一些元器件都在大陆集团2011年的创新性电动概念车中使用过了,包括电动水泵、电动真空泵和可回收能源的制动系统。这样就把原来为电动汽车研发的元器件也都利用起来了。在量身定制的现有车辆电气化的框架内,它们都构成了车辆混合动力车辆的电气模块,为混合动力车辆性能的优化发挥着重要作用。
        量身定制的混合动力是一种按照详细成本费用进行分类分级的、能够经济高效利用电力能源驱动车辆的解决方案,它能够使市场中常见的车辆也具有电力驱动车辆的性能。利用这种电力驱动辅及助模块,普通汽车的驾驶员可以按照自己的期望实现爱车的电力驱动。
        总之,如图4所示,从12V自动起停系统到48V低压混合动力,再到电动汽车,模块化的电力驱动技术可以在减少CO2排放的同时节约燃油。
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