奔驰48V车载电气系统剖析（四）

阿 伟

5.ISA的位置

ISA的位置如图24所示。功能示意图如图25所示。

┃图24 ISA位置

┃图25 ISA功能原理图

功能示意图表明集成式启动机发电机与发动机相连。在此示例中, 发动机有6个燃烧室和1个曲轴。扭矩请求由驾驶员通过加速踏板指示并由电控多端顺序燃料喷注/点火系统（MESFI）控制单元处理。ISA基本上独立于发动机运转并由启动机发电机控制单元控制。发动机控制系统和控制单元之间必要的通信通过诸如控制器区域网络（CAN）总线等通信连接进行。

6.点火角干预

基于车型的发动机控制的主要参考变量是驾驶员扭矩请求,其用于计算各汽缸和工作循环规定的充电、空气量、基于扭矩模型，用于操作发动机的其他参数据此确定, 以设定所需扭矩。这些其他参数包括：节气门角度、凸轮轴位置、点火角、喷油量和喷射时间。在特定行驶条件或操作模式变化期间, 例如, 可变气门升程系统（CAMTRONIC）切换过程中, 在最佳工况下, 发动机输出的扭矩可能会比驾驶员操作策略等请求的扭矩更大。对于传统发动机, 超出的扭矩通过切换点火角进行补偿, 这会降低燃油经济性。

7.分段同步控制

在分段同步控制情况下，一段代表一个汽缸的一个工作循环，ISA补偿超出的扭矩。这是因为ISA是刚性连接至发动机的曲轴, 因此与发动机同步转动。为确定ISA 的规定扭矩,会先确定进行预充电, 其会在最佳点火角下产生预计的最佳扭矩，预计扭矩与驾驶员请求之间的偏差值产生 ISA 的分段同步规定扭矩。为了抵消信号从发动机传送至 ISA 的传递时间, 必须进行预测以便 ISA 在相关燃烧过程进行的同时提供所需扭矩。ISA 可提供的最大和最小扭矩取决于ISA的操作点和蓄电池的充电量。如果待补偿的扭矩大于该促动范围, 则剩余扭矩通过之前提到的点火角干预进行补偿。尽管发动机只能降低燃油经济性并因此与工作循环同步减小扭矩, ISA 还可产生正扭矩。发动机的扭矩输出仍然基于发动机控制系统中的型号值, 这取决于特定型号偏差和生产公差。利用 ISA可以更加精确地设定所需扭矩, 从而增强舒适性。最后, 该特征还具有以下优点∶ 发动机在干预期间仍然可以在几乎最佳工况下运转, 超出的扭矩可回收, 从而减少二氧化碳（CO2）排放。

8.怠速控制

对于带 ISA 的发动机怠速控制也是按此方式执行, 通过使用 ISA 优化消耗，通过怠速控制执行的传统转速控制功能没有停用, 如果未满足 ISA正确操作所要求的所有条件, 则由其代替执行控制操作。根据操作模式,怠速设置为特定的设定值。车载电气系统的能量要求由 ISA 的发电机功能满足。发动机接收到扭矩传输规格,然后 ISA 据此输出要求的能量, 向车载电气系统和车载电网蓄电池供电。这表示 ISA 可以产生更多能量并可涵盖车载电气系统的需求。如果消耗增大, 例如, 打开空调, 则48V车载电网蓄电池可补偿电量消耗水平。如果48V车载电气系统在当前发动机转速下过载, 则目标发动机转速会增大。由于 ISA 的积极特性, 用户只能从转速表上注意到该转速增大。ISA执行怠速控制的条件，如表2所示。如果未满足以下任一条件, 怠速控制由传统怠速控制单元执行。驾驶员不会明显感觉到由 ISA 控制过渡到传统怠速控制单元控制这一过程。

表2 ISA执行怠速控制的条件

六、48V车载电气系统蓄电池直流/直流转换器

直流/直流转换器, 48V车载电网蓄电池（48V电源装置）（图26为车型238）。

48V电源装置包括∶

◆直流/直流转换器

◆48V锂离子蓄电池

1.直流/直流转换器∶

◆48V车载电气系统管理

◆降压模式（48V → 12V）15min约输出 3500W

◆降压模式（48V → 12V）输出约3000W

◆降压模式（12V → 48V）输出约1000W

◆电路30c评估（碰撞安全理念）约重2.5kg

48V车载电气系统通过直流/直流转换器连接至12V车载电气系统。通过直流/直流转换器可使电能在两个电压等级之间转换。在驾驶操作期间, 直流/直流转换器将48V车载电气系统供给的电能提供给12V车载电气系统（降压模式）。12V车载电气系统中的传统12V发电机已替换为直流/直流转换器。此模式还用来在发动机关闭阶段将48V车载电网蓄电池的电能提供给12V车载电网蓄电池。直流/直流转换器控制单元（N83/1）是48V车载电气系统中能源管理的主控制单元。该控制单元通过48V车载电气系统局域互联网（LIN）（LIN B22）读取来自48V车载电网蓄电池的数据并将其传送至48V车载电气系统管理系统，或将数据通过总线系统传送至其他控制单元。为根据具体情况向12V车载电气系统供电，48V车载电气系统管理系统会根据48V车载电气系统和车辆的状况对12V车载电气系统管理系统规定的直流/直流转换器的模式，电压和电流情况进行设定。

2.加热和冷却48V电源装置

48V车载电网蓄电池的输出总量主要取决于蓄电池温度。然而, 48V车载电网蓄电池可在较大的车外温度范围内使用，因为48V电源装置装配了带附加冷却和加热元件的水冷系统。为确保48V车载电气系统尽快达到较好的性能水平,在驾驶操作期间温度较低时,48V车载电网蓄电池会由冷却和加热元件进行加热,直到达到足够高的温度。为快速升温,在此阶段不会有冷却液流经48V电源装置。为避免48V车载电网蓄电池和直流/直流转换器在外部高温环境下过热，48V电源装置会由冷却液冷却，流量由车辆的热量管理系统根据温度进行调节。如果48V车载电网蓄电池继续升温, 则会逐渐启用附加的Peltier冷却系统, 以通过冷却液更好地散热。

┃图26 48V车载电网蓄电网

3.48V电源装置（如图27所示）

┃图27 48V车载电网蓄电池

48V车载电网蓄电池：

◆由12个锂离子电池组成

◆容量20Ah

◆内能约1kWh

◆每个电池的电压 3.68V（充电状态50%时）

◆蓄电池管理系统（BMS）

◆电路30c评估（碰撞安全理念）重量：约12.6kg

48V车载电网蓄电池的功能：

◆能量存储和能量输出

◆监测和提供测得的电压, 蓄电池电流和蓄电池温度值

◆提供蓄电池冷却回路中的冷却液温度

◆执行蓄电池安全要求

◆检测到碰撞后为12V车载电气系统和直流/直流转换器供电（碰撞后供电）

◆各电池的电荷平衡

研发的48V车载电网蓄电池用于48V车载电气系统。其供给的内能用于车辆的车载电气系统功能（例如充电）， 传动系统功能和舒适型功能（加热和制冷）。蓄电池由蓄电池管理系统（BMS）、电池、散热片和各种结构和连接技术构成。蓄电池通过连接至直流/直流转换器的局域互联网（LIN）通信, 该转换器用来处理和传递蓄电池信号并将其用于车辆。

4.48V车载电气系统的电能存储和电能输出

未使用车辆时, 48V车载电网蓄电池从48V车载电气系统上断开。为48V车载电气系统供电的开关关闭并根据点火状态由来自48V车载电气系统管理系统的促动再次打开。为确保开关的长期操作并避免48V部件过载, 开关关闭时,预充电装置会减小开关打开时的电流。48V车载电网蓄电池开始供电, 用于启动48V车载电气系统中的发动机。由于电容量较高, 在能量回收阶段还会存储来自集成式启动机发电机（ISA）或皮带驱动启动机发电机（BSA）的电能。然后将此电能供回ISA或BSA,为发动机提供支持。因此,48V车载电网蓄电池在节省燃油和驾驶员的舒适型功能方面起到重要作用。监测和提供测得的电压,蓄电池电流和蓄电池温度值，在48V车载电网蓄电池上装配了自身的传感器系统,以监测所有相关的内部变量。测得的数值在内部进行处理。此外, 还通过48V车载电气系统局域互联网（LIN）传送至48V车载电气系统管理系统和传动系统控制系统。除各电池电压外,蓄电池还监测电池组的总电压以及至48V车载电气系统和直流/直流转换器的端子处的电压。48V车载电网蓄电池测量进出电池组的电流大小。除电压和电流外,还会在不同的点测量蓄电池组的电池的温度。

5.提供蓄电池冷却回路中的冷却液温度

也会测量散热片中的冷却液温度并通过通信总线传送至车辆的热量管理系统。热量管理系统控制蓄电池和直流/直流转换器的冷却。为在冷却液温度较高时也可冷却蓄电池, 48V车载电网蓄电池的散热片中集成了一个冷却和加热元件。冷却和加热元件的促动由能源管理系统执行。

6.执行蓄电池安全要求

锂离子蓄电池需要遵照严格的安全法规、标准和规定。48V车载电气系统有一个多级安全理念, 由设计和功能性措施组成, 范围涵盖电池和蓄电池管理系统（BMS）及外壳设计等。蓄电池管理系统（BMS）根据内部测得的数值监测蓄电池的状态。因此, 采用的安全功能可确保在操作窗口中安全操作蓄电池。48V车载电网蓄电池的设计中融入了特殊的设计方法。

7.各电池的电荷平衡

┃图29 F63保险丝

48V车载电网蓄电池具备“平衡功能”,使各电池维持在相同的充电水平。该功能用于保持48V车载电网蓄电池在输出和能量方面的最佳性能。这种“平衡功能”还能延长蓄电池的使用寿命, 因为该功能可以防止各电池过早老化。

8.发动机舱48V车载电气系统保险丝盒

发动机舱48V车载电气系统保险丝盒（F153/2），如图28所示。

┃图28 发动机舱48V车载电气系统保险丝盒

发动机舱48V车载电气系统保险丝盒将来自48V电源装置的电能分配至各用电设备。如果出现故障, 则必须更换整个部件。不得更换单独的保险丝或打开发动机舱48V车载电气系统保险丝盒。48V电源装置至ISA或BSA的电线上通过发动机舱48V车载电气系统保险丝盒安装了一条母线。发动机舱48V车载电气系统保险丝盒中未安装保险丝, 因为这些部件通过48V电源装置进行监测和熔断。部件上的其他连接必须装配相应的保险丝。同样不得更换这些保险丝。如果出现故障, 必须更换整个部件。必须由经过专业培训的人员进行修理, 例如梅赛德斯-奔驰专家。

9.热敏保险丝（车型238）

F63热敏保险丝，如图29所示为车型238。

辅助防护系统控制单元（N2/10）会触发热敏保险丝, 以免发生事故后造成火灾。控制端子导线（电路30c）通过触发热敏保险丝而断开。48V部件处的电压降会关闭48V车载电气系统。

七、48V车载电气系统电动附加压缩机

1.电动辅助压缩机（M60/1）

┃图30 空气流动模式

通过电动辅助压缩机（M60/1）对传统的涡轮增压器进行补充,改善了静止全负荷扭矩和发动机的非静止性能。因此, 不管排气的质量流和热状态变量如何, 空气供给都得到了显著改善。从而不管发动机的工作状态如何, 都会保证空气供给。即使在低发动机转速下, 电动辅助压缩机也可提供足够的高增压压力。明显减少了低转速下的“涡轮延迟”。电动辅助压缩机由最大输出功率为5kW的电机构成, 驱动安装在防摩擦轴承中的压缩机轴, 其在末端装有14个叶片。为了在整个发动机转速范围内形成均匀的高增压压力, 在较低转速/部分负荷范围内通过电动辅助压缩机生成增压压力。在任何发动机转速下, 发动机管理系统根据发动机的负荷请求和工作状态以及环境条件计算目标增压压力。由于涡轮增压器在低转速范围下无法生成目标增压压力, 因此通过促动电动辅助压缩机补偿实际增压压力和目标增压压力之间的压差。为此,发动机管理系统计算电动辅助压缩机生成所需增压压力的转速。1.45 的最大压力比表示在环境压力为 100kPa的情况下, 可额外产生45kPa的环境压力, 远低于发动机的压力损失。最大增压压力高达 45kPa。速度范围不超过 3000r/min时, 直接通过电控多端顺序燃料喷注/点火系统（ME-SFI）控制单元（N3/10）中的内部控制器区域网络（CAN）总线促动电动辅助压缩机。在电动辅助压缩机促动期间, 为监测增压压力, 会存储节气门下游的压力和温度传感器（B28/27）信号。涡轮增压器独自运转时, 通过节气门上游的压力和温度传感器（B28/26）测量压力。电动辅助压缩机通过48V车载电气系统供电。发生的所有故障均传送至电控多端顺序燃料喷注/点火系统（ME-SFI）控制单元并记录为故障。可通过 XENTRY Diagnostics 手动输入电动辅助压缩机的目标转速规格。排气、进气/增压空气流动模式，如图30所示。

带电动辅助压缩机的双涡流涡轮增压器，如图31所示。

电动辅助压缩机的生产规格如表3、表4所示。

表3 电动辅助压缩机规格

表4 能量消耗/辅助压缩机的功耗