當(dāng)前針對汽車電動化的大力推行使得車用內(nèi)燃機的發(fā)展每況愈下，AVL 公司作為回應(yīng)，從而開發(fā)了一種高效內(nèi)燃機與 48 V 插電式動力設(shè)備的組合動力系統(tǒng)，通過該途徑實現(xiàn)了一種充滿前景的替代方案，不僅降低了 OEM 制造商車隊的 CO2 排放，而且能使用戶在市內(nèi)能實現(xiàn)無排放的電動行駛。
1 強大的政治壓力
隨著汽車電動化的不斷推行，使得車用內(nèi)燃機的發(fā)展情況捉襟見肘，特別是在歐洲，除了基于交通運輸而設(shè)定的 CO2 排放法規(guī)所產(chǎn)生強大的政治驅(qū)動力之外，同時也要求對空氣品質(zhì)進行顯著改善。此類要求也反映了未來歐 7 廢氣排放法規(guī)的嚴苛程度，特別是基于真實行駛排放（RDE）邊界條件，該法規(guī)的要求將超越美國超低排放車輛 US－20 法規(guī)的限值。
用于市內(nèi)行駛的微型車輛在附著質(zhì)量、結(jié)構(gòu)空間需求特別是全電氣化的成本等方面都受到限制，因此混合動力特別是 48 V 系統(tǒng)則具有重要意義。
2 當(dāng)前的 48V 驅(qū)動系統(tǒng)
將 48 V 皮帶傳動起動機－發(fā)電機（BSG）集成到動力總成系統(tǒng)已顯示出其獨特的應(yīng)用前景，其能改善內(nèi)燃機廢氣排放的適應(yīng)性以及駕駛機動性和行駛動力學(xué)性能。盡管如此，該類系統(tǒng)基于在皮帶傳動中的布置，其在電動行駛、靈活駕駛、制動行駛等方面無法提供充分的用戶使用經(jīng)驗。除了上述限制之外，通過皮帶傳動的扭矩受到限制也會帶來附加的技術(shù)挑戰(zhàn)。皮帶傳動如需傳遞更大的扭矩就要求增加皮帶筋條和／或提高三角筋條皮帶的預(yù)緊力，由此會導(dǎo)致更劇烈的摩擦，從而增加燃油耗，而由此又不得不設(shè)法予以補償。
48 V 系統(tǒng)相對于 12 V 系統(tǒng)的燃油耗優(yōu)勢是基于更大的能量回收潛力，甚至在考慮到 DC／DC 轉(zhuǎn)換器效率損失的情況下發(fā)電機仍具有良好的效率。這些限制以及在回收運行能量時內(nèi)燃機并未脫開動力總成系統(tǒng)的實際情況，使得該系統(tǒng)降低 CO2 排放的效果逐步受限。
3 下一代 48 V 系統(tǒng)
與 48 V－BSG 相比，電機直接布置在動力總成系統(tǒng)中并且能使內(nèi)燃機實現(xiàn)脫離的系統(tǒng)能更有效地降低 CO2 排放，因而不僅能回收更多能量，而且還能提升實現(xiàn)汽車電動化的可能性。
圖 1 中示出的 P2、P3 和 P4 布置型式能夠?qū)崿F(xiàn)上述的電動出行方式，而且能獲得與結(jié)構(gòu)相同的高電壓全混合動力系統(tǒng)相似的降低 CO2 排放的效果。
圖 1 P0～P4 型 48 V 動力總成系統(tǒng)架構(gòu)以及在 WLTC 試驗循環(huán)中按電機尺寸回收能量曲線
混合動力降低 CO2 排放的技術(shù)提升潛力主要依賴于能量回收系統(tǒng)，因此本文的研究重點主要在改善回收能量的效率上。此處所考慮的邊界條件是由車輛大小、質(zhì)量、行駛阻力和行駛循環(huán)法規(guī)所決定的。系統(tǒng)分析（基于模擬工具 AVL Cruise）表明，用于前橋橫置驅(qū)動結(jié)構(gòu)的 P2 混合動力方案能提供最高的能量回收潛力。
約 20 kW 的峰值功率是發(fā)電機處于運行時能量利用與系統(tǒng)功率之間的良好折中。鑒于結(jié)構(gòu)空間需求、系統(tǒng)成本和模塊化／可縮放性，側(cè)置（偏置）系統(tǒng)提供了良好的潛力。由于偏置結(jié)構(gòu)附加的傳動比，能使用集成了變頻器且轉(zhuǎn)速高達 18 000 r／min 的高轉(zhuǎn)速電機。電機的這種方案能被設(shè)計成一個模塊，因為其同樣能作為電驅(qū)動橋或作為小型電動車（例如 A0 級三輪摩托車）的主驅(qū)動裝置。
在開發(fā)中，現(xiàn)有的解決方案在驅(qū)動運行時可提供約 25 kW 或 20 kW 的發(fā)電機功率。功率的差別是以系統(tǒng)電壓為基礎(chǔ)的。由于蓄電池內(nèi)部存在阻抗，從蓄電池中獲取 20 kW 功率會引起電壓降，而將電流通至蓄電池則會相應(yīng)提高電壓，從而獲得更高的額定功率。
4 48 V 插電式混合動力車
為了能在 2025 年或 2030 年達到規(guī)定的降低 CO2 排放的目標(biāo)，從而需不斷優(yōu)化車輛的摩擦損失、變速箱的換擋策略以及內(nèi)燃機本身的熱管理方案，但即便如此，降低全混合動力車型的 CO2 排放效果仍然有待提升。
從邏輯角度出發(fā)，需增加電動車所占的市場份額，借助于以 VW Golf Ⅶ轎車為基礎(chǔ)的演示車輛進行系統(tǒng)模擬就能體驗到該目標(biāo)效果。為此，將 AVL 公司開發(fā)的效率優(yōu)化的內(nèi)燃機與 20 kW 電動后橋以及 AVL 公司開發(fā)的容量為 5．3 kW·h 的 48 V 蓄電池相組合，并在真實交通中進行試驗。這種優(yōu)化的動力總成系統(tǒng)能在最高車速為 50 km／h 情況下以電動狀態(tài)行駛 20 km 以上的里程（圖 2）。
圖 2 AVL 演示車輛的 CO2 排放和架構(gòu)（PHEV＝插電式混合動力）
5 日常局部無廢氣排放
為降低廢氣排放（例如 CO2）而開展的研究并不完全在于用戶。自由進入城市的零排放區(qū)域和電動駕駛體驗對其充滿吸引力。對于用戶而言，除了成本價格以外，其主要關(guān)注的是行李艙、凈載質(zhì)量、行駛功率等方面的車輛特征。為了滿足系統(tǒng)中的相關(guān)要求，設(shè)計時需分析真實生活中的使用情況，例如需正確地開出車庫、橫越人行道邊沿、通過坡道和更長的距離，同時需考慮的不僅是從－30～60 ℃的溫度影響，而且還包括有小型車凈載質(zhì)量 480 kg 和自重 1 250 kg 等使用情況。
針對各類重要使用情況的廣泛分析即可正確地確定要求，例如對中歐使用情況的系統(tǒng)綜合即可得出了所需求的平均電動行駛里程為 22 km，這對于市內(nèi)范圍行駛可充分滿足要求。
對于 C 級車和質(zhì)量為 1 500 kg 的車輛而言，其最大車輪功率需求約為 25～30 kW，而車輛用于驅(qū)動的平均持續(xù)功率約為 5 kW，用于諸如采暖／冷卻裝置、娛樂信息設(shè)備、汽車前大燈、刮雨器裝置等輔助設(shè)施平均需要增加 1～3 kW 功率，因此蓄電池的總持續(xù)功率需達 6～8 kW 左右。圖 3 上圖示出了用于 WLTC 試驗循環(huán)城市部分和用于真實城市行駛的功率需求比較。
圖 3 WLTC 城市部分和真實城市行駛以及 WLTC 需求的功率的比較
在考慮到從車輪直至蓄電池的傳遞路徑時，所需的電系統(tǒng)功率約為 30～35 kW。若維持正常運行的最低電壓為 34 V，在 30 kW 時的峰值電流則為 880 A。
影響電系統(tǒng)成本的主要因素是電流而并非是電壓，以此牽涉到選擇該類 48 V 系統(tǒng)的正確與否，正如 ISO 6469－3 標(biāo)準(zhǔn)（道路輸電安全性標(biāo)準(zhǔn)）所規(guī)定的一樣，將更高的 75 V 高電壓作為系統(tǒng)電壓，也只能使電流減小約 20％。
圖 3 下圖通過系統(tǒng)的綜合分析表明，高功率僅需要較短時間（絕大多數(shù)為 1～5 s），因此對這些功率峰值的需求相對較少。如果需持續(xù)提供 8 kW 的最大功率，采用直徑大大幅減小的導(dǎo)線即可滿足其要求。
真實行駛和 RDE 法規(guī)的要求帶來了需進行附加考慮的因素，例如低溫性能和使用壽命。如果考慮到對系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的相關(guān)要求，為此應(yīng)作出必要的調(diào)整。
諸如大電流及其所引起的損失、高電流脈沖時的電壓突破以及蓄電池的低溫性能等關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)，在當(dāng)前的系統(tǒng)架構(gòu)下通常是難以解決的。由此為了將這些要求模型化，應(yīng)用系統(tǒng)工程方法將會面臨 3 種有趣的情形：
?。?） 高功率—受限制的持續(xù)時間—大電流；
?。?）低功率—長持續(xù)時間—小電流；
?。?） 低溫—功率不降低。
在該類系統(tǒng)架構(gòu)中使用的 48 V 蓄電池具有 400 W·h 的能量。由此導(dǎo)致的限制是較高的能量損失和效率的降低（圖 4）。正如在系統(tǒng)架構(gòu)中所表現(xiàn)的一樣，該類蓄電池和能量傳遞途徑在滿足上述 1 和 3 兩種要求的情況下會顯示出相應(yīng)弊端。
圖 4 12s2p 和 400 W·h－48 V 蓄電池的功率輸出和內(nèi)部損失
能充分滿足此類要求的蓄能器是一種雙層電容器（DSK），這種技術(shù)的缺點是電壓升程較大。蓄電池與雙層電容器的組合對于上述任務(wù)是一種充滿希望的解決途徑。為了將損失降低到最低程度，有別于大多數(shù)其他方案，將電容器集成在動力模塊中是較為可行的。此時，如需將其集成為一個模塊，則有兩種可能性：第一種可能性是應(yīng)用一種簡單的半導(dǎo)體開關(guān)將電容器連接到蓄電池電壓上，從而降低成本。在該情況下一個小型 DC／DC 轉(zhuǎn)換器即可在非主動狀態(tài)下進行充電和放電。第二種可能性是預(yù)先應(yīng)用一種大電流 DC／DC 轉(zhuǎn)換器，此類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計能作為變頻器而進行設(shè)計優(yōu)化。
在該兩種情況中，雙層電容器的數(shù)量需根據(jù)功率和能量需求來決定，而非取決于電壓水平，由此能實現(xiàn)有利于降低成本的設(shè)計。
基于分開式系統(tǒng)架構(gòu)所應(yīng)用的蓄電池在低溫性能和峰值功率方面的要求較低，允許采用帶有能量單元的蓄電池設(shè)計，這些能量單元在安裝容量方面能達到較高的能量密度和較低的成本。
最后，應(yīng)考慮電機和變頻器較高的電流需求。如果將設(shè)計從 3 相改成 6 相而沒有星形連接點的話，那么電流將減小一半，每 3 相的損失將減小到四分之一，每 6 相的損失就減小到一半，類似于等式 P＝I·R。
6 新的高功率系統(tǒng)架構(gòu)
新的系統(tǒng)架構(gòu)（圖 5 上圖）能滿足不斷提升的要求，在 WLTC 試驗循環(huán)中根據(jù)所安裝的蓄能器能使 CO2 排放低于 65 g／km。
這種系統(tǒng)架構(gòu)的核心部件是 AVL－48 V 電動橋。除了電機之外，其同時包括減速傳動機構(gòu)和離合器，后者在高車速時可使電機脫開動力系統(tǒng)。集成在電機中的變頻器（圖 5 下左圖中藍色標(biāo)記）被安裝在一個共用的殼體中（圖 5 下圖），并將水冷卻循環(huán)回路與電機分開。
圖 5 基于系統(tǒng)合成和 AVL－48V 高功率電動橋的系統(tǒng)架構(gòu)以及能量單元和 6 相電機的設(shè)計