采用48 V驱动模块的未来新型城市电动车方案

【中】 范明强 编译

1 未来城市电动车及其驱动装置

在现代社会中,紧凑、易于驾驶、高效而又经济的车辆更受欢迎。马勒(Mahle)公司开发的以马勒高效电动车(Meet)为代表的未来城市电动车方案(图1),从技术上实现了上述要求。其技术关键在于通过动力总成系统、热管理和空调等各项技术之间的相互协调配合,从而达到最高的能量利用总效率。同时,马勒公司还开发了一种具有各种不同功率等级的紧凑、高效的模块化48 V电驱动单元,该单元可用于如Meet电动车等新型的城市电动车,也可用作为混合动力车的电驱动模块。

图1 马勒公司Meet示范电动车

Meet电动车被设计成采用电驱动的双座城市车辆,以低成本提供了高驾驶乐趣、高舒适性和高效率。其开发目标是将各项技术与车辆功能相结合,通过系统间的最佳协作为用户提供增值效益。从技术角度看,对于电动车而言,其能量利用效率是至关重要的,因为在整车系统中车辆的行驶里程及蓄电池尺寸对成本起着决定性的作用。作为运输工具,如果要有较好的市场表现,还需具备良好的加速性和满足使用要求的最高车速及较高的机动性,并在具有较好舒适性的同时提供驾驶乐趣。

用于实现Meet电动车开发目标所采用的技术组合包括功率电子器件和车载充电装置在内的动力模块、可加热表面的舒适性温度控制、电动温差热泵以及全新的人机界面(HMI)操纵方案(图2)。此外,驱动装置的高效率和热管理使得车辆即使在使用空调的情况下仍具有较长的行驶里程。

图2 用于马勒高效电动车的技术组合

马勒公司已将该驱动装置设计成能以48 V低电压运行的模块化驱动单元,其成本比高电压设计方案降低达25%,因为其能省略法规规定的防止高电压风险的保障措施,而且低电压状况允许驱动装置具有多种用途,如一方面可用于纯电动车,另一方面还可用作大型车辆混合动力系统的电驱动模块。近几年,采用48 V运行电压的混合动力方案已被大量投入批量生产,具有广泛的市场应用规模,规模生产效应使得用于混合动力系统的部件的成本较低,因此用于马勒48 V驱动模块的成本也相应较低。

2 新型模块化电驱动装置

2.1 确定必需的驱动功率

出于效率的原因,城市电动车的驱动装置应以现代交通中现有的功率需求为导向。为了查明这种需求,马勒公司在以德国斯图加特市为代表的对地形要求非常高的路段上,在各种不同交通密度的情况下进行了城市行驶试验。用一辆商业上常用的C级车辆(质量为1 670 kg)在公路上进行测量,其目标是该试验结果可直接转换成电驱装置的技术规范。此类路段是由城市街道和高速公路组成的混合道路,包括下列特征：(1)恒定为50 km/h的市内行驶车速;(2)高速公路最高行驶车速不超过100 km/h;(3)在红绿交通信号灯和交通拥挤时的起动-停车系统运行。

依据不同路段对电驱动系统提出了不同的要求,城市和高速公路上的车速比例分配决定了其所必需的驱动功率,而起动-停车系统运行的范围对所需的最大扭矩起着决定性的作用。

为此,马勒公司进行了典型的城市行驶工况循环(马勒斯图加特行驶路线)试验(图3)。所获得的测量数据用于Meet电动车整车模拟模型分析的输入数据,以此查明的城市电动车所需的电机转矩、车桥扭矩和车速,分别示于图4和图5。图4和图5表明,在测试循环中按时间百分比计算的相对于车辆行驶速度所需的电机转矩、车桥扭矩和车速的频度分布,由此可推导出对驱动装置的一般要求。在城市行驶工况循环中,在以下2种运行范围时Meet电动车表现更加优异：一是在较低车速下的起动-停车系统和滑行模式,二是以40～50 km/h的车速行驶的主要范围。正如从试验中所知,对于以上2种行驶状况,只需有20 k W的机械功率即可满足所有运行工况点的需要。

图3 马勒公司斯图加特行驶线路

图4 斯图加特行驶路线所需的电机转矩和车速及其频度分布

图5 斯图加特城市行驶路线所需的车桥扭矩和车速及其频度分布(较浅颜色代表较高的使用概率)

起动-停车系统运行工况的特点是车速低且扭矩大。为了确保其加速性足以使车辆顺利地跟车前进,需具备1 600 N·m的车桥扭矩。因为试验车辆的总质量要比城市车辆大很多,因此目标质量小于900 kg的电动车方案会获得附加的动力性能优势。在车速较高时,因加速持续时间较短,电机能提供30 k W的峰值功率,并产生较大的转矩。

通常,在开发具有高功率密度的电驱装置时,需重视每个负荷工况点所持续的时间。因电机具有热惯性,所以承受短暂的高负荷不会受到损坏,但是持续时间较长的负荷需针对长期的热负荷状态予以评估,在该负荷型式情况下应针对冷却系统制定相应的对策,持续时间较长的负荷越大,冷却系统的冷却能力则应越强。在所进行的行驶试验实例中,要识别出图4中在典型市区车速为40～55 km/h时和典型高速公路车速为85～95 km/h时持续负荷运行的工况点。城市行驶需要持续功率达20 k W的电驱动装置,短时间则应具备达到峰值30 k W超负荷的能力。

2.2 理想的电压状况分析

电机的电压状况对驱动系统的成本具有重大影响。为了用于未来城市车辆,马勒公司对各种不同功率等级和供电电压的系统成本进行了试验,同时电机设计还考虑到不同电压状况和电流限制,以及采用各种不同半导体方案和连接方式的功率电子器件,此外还对采用低电压(≤60 V)的牵引力与采用高电压的牵引力进行了比较。

在电压低于60 V的情况下,可省去预防电气危害的高成本安全措施,而在更高的电压下,该类措施则是法规规定中不可或缺的。在供电电压较低及电机功率相同的情况下,所需的电路导线中铜线的横截面会成比例地增大。尤其是功率电子器件的电流承载能力受到限制,需附加平行分路,因此存在1个盈亏平衡值,从该值起低电压驱动方案的成本比高电压方案更低。

马勒公司的试验结果显示,低于60 V电压相比高达40 k W的功率输出具有明显的成本优势,而对于更高的功率等级则采用200～800 V的高电压方案成本更为有利。因此,对具有20 k W持续功率的电驱动系统而言,其所需的供电电压应低于60 V,在这种情况下采用48 V电压更具优势。由于汽车电路中电能需求的不断增长,例如随着应用电动空调压缩机或电动冷却液泵呈现出电压水平从12 V提升到48 V的趋势,因而期望该48 V系统能逐渐形成规模效应,以降低生产成本。

2.3 模块化48 V驱动系统

马勒公司的模块化48 V电驱动系统由变速器、功率电子器件(换流器)和电机3个主要部件组成(图6)。因采用空心轴特定的扭矩分配,这种系统非常紧凑,在车辆上能进行灵活布置,可在现代电动车上作为唯一的电驱动装置或者在采用P4后桥驱动布置型式的混合动力车上用作后桥电驱动装置。在承受热负荷的组件(如电机和功率电子器件)中集成冷却系统能确保较高的功率密度和电驱动模块的效率。表1列出了该电驱动模块的特性数据。在最低供电电压42 V时,系统可提供20 k W的持续功率,在36 V时仍有17 k W的机械功率可供使用,而在短暂加速时机械功率可提升到30 k W。而最大车桥可持续提供1 200 N·m的扭矩,短时间最高扭矩可达1 600 N·m。采用该驱动模块的现代电动车的最高车速可达到100 km/h。

图6 48 V驱动模块

表1 电驱动模块特性数据

2.4 牵引电机的设计

驱动模块的核心是用作牵引动力的永磁式同步电机(PMSM)。48 V供电电压、20 k W的持续功率,以及30 k W的峰值功率使这种电机的设计面临一系列技术挑战。该类电机具有较高的定子电流,但是却受到电子器件及其半导体元件的限制。一方面,电子器件承受的较高电流会增加成本,因为需要布设数条平行的功率电路;另一方面,电流受到限制,意味着扭矩同样会受到限制。此类目标冲突可采取特殊的转子设计来得以解决。采取特殊的布置方式将磁铁嵌入转子中作为掩埋式磁铁而产生磁阻转矩叠加于电机转矩上,以此就能显著增加电驱装置的功率密度。

图7(a)示出了电机的特性曲线场。在80 N·m的高持续转矩(峰值转矩为110 N·m)下,通过减弱磁场优化转子结构布置获得了宽广的转速范围,在用于蓄电池纯电动车时电机的最高转速可达12 000 r/min,而应用于插电式混合动力车时电机转速则可提高到16 500 r/min,因此具有强大的动力性能和废热回收功能,可使车辆在高速公路上以最高速度行驶。同时,因具有较大的转速跨度,一个固定的变速器传动比通常仅用于力的传递,可降低系统的成本和复杂性,并且依然能满足用户对城市电动车辆的要求。

在主要运行工况点具有较高效率的前提下,该类系统设计能显著降低车辆的能量消耗。图7(b)将所需的车桥扭矩和车速与马勒公司按照模拟计算出的效率特性曲线场重叠在一起,可清晰地看到在城市行驶中重要运行工况点的电机效率都处于96%～97%范围内,而在州属公路车速情况下的电机效率则达到了90%～94%。在恒定车速的情况下,持续功率能完全满足要求,而短时间的峰值负荷也并未超出电机的最高性能指标。

图7 48 V电动机的特性曲线场(a)和所需车桥扭矩与车速及驱动装置效率特性曲线场的关系(b)

2.5 功率电子器件

功率电子器件由3个结构组合部件组成。控制单元包括控制器、激励器和传感器元件,而换流器是一种具有平行布置的4个场效应管和带有热交换器的B6电桥,样机结构如图8所示。控制器、激励器和传感器元件配装于逻辑电路板上。在上述结构布置中最大相电流为1 200 A。

2.6 电驱动模块的热管理

图8 功率电子器件

开发的重点之一是可对驱动模块进行最佳协调的热管理系统。出于对使用寿命的考虑,在稳定运转时电机的线圈绕组和磁铁的温度不可超过限值。集成在驱动模块中的液体冷却系统需确保上述部件的热可靠性。冷却液进入驱动模块后首先流过电子器件的冷却元件。电机的定子造成驱动系统的主要能量损失源于散热量,此外在高扭矩工况时铜损占主要份额,而在高转速范围内则由铁损起决定性作用。在电机壳体中,冷却液从电子器件冷却元件流向定子。马勒公司已对冷却液流量分布和接触面积进行了优化,使得电机的线圈绕组与冷却液之间的温差最小。

2.7 模块化结构

在开发电驱装置时,马勒公司对模块化结构进行了重点关注。通过采用具有1个电机和空心轴结构,或者具有2个电机的双动力单元和常规轴结构,即可精确地按需求调整系统[1],以此就能在应用方面具有较高的灵活性,例如该系统适合用于不同电动车上的唯一电驱动装置,同样也可作为混合动力车上的电驱单元或电动车桥。特别是在城市车辆上,良好的操纵性和机动性也是必不可少的。在具有2个电机的结构型式中,电驱单元可通过转矩导向以实现这些性能。

3 动力总成系统结构

Meet电动车采用的48 V双动力电驱动动力总成系统由2个独立的电驱动模块[2]组成,布置于车辆后桥旁(图9)。2个电机在峰值时可提供30 k W功率,该状态能持续长达1 min,可满足20 k W持续功率的要求。每个驱动单元包括1个电机及其功率电子器件。这种布置方式因具有模块化结构而在空间布置方面具有较高的灵活性,从而能应用于各种不同的车型上,而且如果每个电驱动单元驱动1个车轮的话,则无需额外的差动变速器。特别为Meet电动车开发的软件功能,未来将单独针对每个驱动轮控制其速度和功率。

图9 马勒公司Meet电动车的48 V双动力电驱动模块

电机方面则采用PMSM。因其在低电压运行时具有较大的磁阻转矩,马勒公司将专门协调的转子结构集成在电机系统中。

高灵活性、较小的转弯半径及易于操纵而驶入狭窄的停车空位等都是针对现代城市车辆方案而提出的重点目标,马勒公司在48 V双动力电驱动系统中实现了扭矩引导功能,此时通过将驱动扭矩分配到驱动轮而产生了一种同步转向效果,从而主动影响车辆的转向角。中央车桥变速器的单一传动比可达11.0,因此即使在坡度为30%的上坡路和车辆满载的情况下也能确保其具有较好的加速性能。

以表2所列的技术数据能进行包括各种不同行驶循环电能消耗在内的整车模拟,由此获得Meet电动车的电动行驶里程。其最高车速确定为100 km/h,这是按照满足短途高速公路行驶的要求所决定的。各种不同行驶循环的整车模拟结果示于图10,图中新欧洲行驶循环(NEDC)、全球统一轻型载货车行驶试验规范(WLTC)和实际行驶排放(RDE)中最高车速被限制在100 km/h。由于Meet电动车具有较高的总效率,因而其电能消耗仅为百公里7.9 k W·h,因此对于城区范围内(斯图加特行驶路线)195 km的行驶里程而言,一个容量为15.4 k W·h的廉价小型蓄电池就完全满足需求。假如每天开车上下班平均行驶20 km,那么Meet电动车只需每隔7日在充电网站充电1次即可,因此其在驾驶乐趣方面总体上也算差强人意。驾驶动力性能模拟表明,Meet电动车从停车状态1 s就能加速到16 km/h,3 s后就能加速到50 km/h,5 s后其车速就已达到70 km/h。

表2 马勒公司Meet电动车技术数据

4 整车热管理

图10 马勒公司Meet电动车整车模拟结果

众所周知,辅助设备的电能需求对电动车的实际行驶里程具有显著影响,其中车辆空调是重要因素之一,例如夏季车厢内的降温和冬季的采暖。实际使用经验及试验和模拟数据都表明,在冬季环境温度下的行驶里程会比额定值减少达30%～50%。在采用传统内燃机的情况下则有足够的废热可供车厢内采暖,而电动车的电机能量损失却根本不足以用于车厢采暖,其采暖热能必须由类似于蓄电池供电的正温度系数加热元件(PTC)的附加功能模块来提供。但在城市车辆上,这种方法对行驶里程的影响过大,主要在于车辆质量轻和市内平均车速较低,原本用于行驶的能量需求就相对较低,而用于车厢内采暖的电能消耗则处于较高的水平。其次,如Meet电动车在典型的现代交通(在现有情况下按照平均车速为21 km/h的斯图加特城市路线来模拟)中用于PTC取暖系统加热的能量需求高于行驶的能量需求。

为了将用于采暖的能量消耗降低到最低程度,马勒公司开发了一种新型空调方案,具有较高的工作效率而又不会降低舒适性。在所有采暖方案中,空气被加热并在车厢内流通,并可通过选择座位和方向盘处的暖风予以补充,而这对于电动车而言并不经济,因为这些采暖方法几乎无法相互协调,要达到乘客的舒适体感仍需耗费较多的能量。与此相比,新方案是基于2个相互补充的系统而设计,通过应用局部表面加热(图11(a))将乘客达到舒适体感所需的能量减少到最低,为此将柔韧的加热薄膜镶嵌在仪表板、车厢内侧壁面衬里和手臂搁座中,这些热辐射可灵活地按需控制。例如能考虑到乘客的数量及其位置,且响应极快,这对于乘客历时较短的短途交通具有特别意义,花费较少的电能加热后通过与热源的直接接触就能使乘客很快体验到舒适的感受。

图11 可个人调节的局部表面加热(a)和温差电动热泵(b)

采用该方案,虽然并未完全弃用传统的方法加热车厢内空气,不过其在总加热量中所占的份额却明显减少。如上文所述,低流量的热空气流仍然是必不可少的,例如为了保持车窗上无水汽及确保车厢内必需的换气。在Meet电动车方案中,马勒公司借助于电动冷却液温差热泵(图11(b))将预热要求较低的车厢空气流所需的能量减少到最低。这种热泵使得电机、功率电子器件和蓄电池的废热可被加热系统所利用。与冷却液-压缩机热泵相比,这种电动温差热泵具有诸多优点：一是其为一种无活动零件且无损耗的固体器件;二是其功率系数(COP)约为2,该数值在同类产品中相对较高。在城市交通工况下电驱部件的废热的可用性是较为有限的,通常低于100 W,这使得附加采暖装置的应用具有显著意义,以此可满足剩余的热量需求。在配备有压缩机热泵的情况下,通常为此需使用1个单独的PTC加热元件,因而进一步提高了加热系统的复杂性。与此相比,电动温差热泵无需附加部件就可充分发挥功效,因为其内部可提供必需的热量,而动力总成系统的废热还需提升到相应的温度水平。在某些运行状况下,车辆蓄电池的热惯性也能作为贮存式热源为电动温差热泵所用。

在Meet电动车上,马勒公司借助于新型智能技术,与采用天然冷却剂CO2(R744)工作的空调装置相结合,开发出了一种高效的热功率系统和优质的舒适性系统。与使用PTC加热器相比,在环境温度为0℃的情况下,在WLTC行驶循环中,Meet电动车在蓄电池行驶里程方面所获得的优势增加到30%,而在斯图加特行驶路线中甚至可增加到50%(图12)。

图12 创新的热功率显著增大车辆(开空调)的行驶里程

5 直观的操作系统

采用直观的操作系统使驾驶员在车辆行驶期间不必过度分心,可同时使用诸如导航系统、音响装置和空调装置等功能。马勒公司已实现了直观和简易的操作系统,该方案能使用非接触式手势控制、个性化舒适性调节以及车内状况预设等功能,例如在牵引蓄电池充电过程期间应用智能手机。

6 结论和展望

马勒公司以Meet电动车表明了未来电动车技术开发时会面临的挑战以及具有的潜力,并基于动力总成系统热管理及操纵方案而开发出了一种智能系统。Meet电动车兼顾高驾驶乐趣、低成本、高舒适性和较高的能量利用率,并采用48 V模块化+电气化的方案,从而无需在电压超过60 V情况下采用法规规定的高成本电气安全保障措施,同时研究出了一种可替代高电压的低成本方案。不仅如此,电驱模块的应用范围也得以明显扩大,其还可作为独立的电驱部件灵活地应用于大型车辆的混合动力系统,从而有望通过量产以降低成本。由于提高了车辆的总效率,因而只需使用成本较低的小型蓄电池即可,不仅能确保其具有恰到好处的行驶里程,同时又能使车辆具有较高的舒适性。马勒公司已成功地研究出最新型的电驱动模块、表面加热技术和电动温差热泵。