从电子增压到后轴驱动 技术组合带动48V升级

汽车工程师之家2018-12-05 15:46:05

作者:解全敏


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在不断收紧的排放及油耗法规下,“火”起来的不只是新能源汽车,还有48V电气系统。可以看到,随着各大主机厂和零部件厂商48V相关计划的先后公布以及生产计划的逐步实施,这一“后起之秀”已悄然前行,迎来了整个行业的广泛关注。

技术优势:不只是节能

尽管从节能减排的效果来看,插电混动以及纯电动汽车更有优势,但不依靠外接插电、没有里程焦虑的48V系统却更为现实可行。具体来看,其优点可归结为以下四个方面:

首先,48V系统的油耗虽高于插电混动和纯电动,但高达20%的节油效果也使其极有吸引力。以法雷奥e4Boost 48V动力总成系统为例,该系统由48伏iBSG起发电一体机、48伏电子增压器、增强型制动能量回馈系统、DC/DC(直流/直流转换器)和48伏电池构成,最高可帮助车辆提升25%的燃油经济性及二氧化碳排放 (NEDC 欧洲油耗及排放评定标准),并可帮助车辆提升20%的加速性。需要指出的是,在车辆刹车时,该系统可以发电,将车辆制动能量回收,同时给48V电池和12V电池充电,这是该系统实现高效节油的重要功能。

其次,根据欧洲ECE R100法规规定,直流电压60V和交流电压30V以下都属于安全电压,不会造成人身危险。而48V动力总成系统的最高电压一般在54V左右,在安全电压的范围之内,这使其无需额外的安全防护措施。与此同时,车辆的控制策略集成于车辆原有的ECU里面,不用改变原有的车辆架构,也无需增加额外的零部件。因此,装备48V动力总成的动力系统成本甚至比柴油动力系统的成本更低,汽车制造商即使没有政策性补贴,同样可以实现收支平衡。

第三,除了在节能和成本方面的优势,48V系统也可以进一步提升车辆的舒适性。据了解,法雷奥48V iBSG皮带式起发电一体机在车辆启动阶段可提供大功率输出,快速带动内燃机曲轴,使车辆起动非常迅速,并且消除了12V起停系统的抖动现象,驾乘者几乎感觉不到车辆在启动。而在汽车从静止起步时,iBSG系统可以为车辆提供短时低速纯电动行驶。尤其在跟车的时候,不但具有节油效果,还消除了内燃机不断起停带来的不舒适。

此外,在车辆需要加速时,48V iBSG系统能带来更多的加速乐趣。目前,越来越多的车型采用涡轮增压,但涡轮增压器有一个弱点就是“涡轮迟滞”,动力要在加速动作后的1~2秒内才能跟上来。iBSG可以很好的弥补这个缺陷,因为iBSG的动力输出非常快,只需要几毫秒。


未来提升:着重技术组合

根据中国汽车工程学会近日发布的《节能与新能源汽车技术路线图》,到2025年,乘用车新车整体油耗降至每百公里4L,2030年降至每百公里3.2L。可见,车企所要面临的降低油耗的压力也将逐年增加。而就48V系统而言,想要在更长时期内发挥作用仅保持目前的节油效果显然是不够的,相关技术需要更进一步的提升。

那么,48V是否还有提升空间呢?答案是肯定的。正如法雷奥中国总裁毕诺在接受访问时所说,48V系统的优势在于其技术成本合理,技术组合灵活。其中,关于技术成本合理,我们在上一部分已经说到,而所谓的技术组合灵活其实正是其未来潜力所在。

通常情况下,48V动力总成系统分为P1(也有称P0)、P2、P3、P4,它们的区分方式在于电机安装位置,数字越小,安装位置越靠前(P1-集成于内燃机;P2-安装在内燃机和变速箱之间;P3-安装在变速箱;P4-安装在后轴)。其中P1位置的技术就是以上所提到的i-BSG皮带式起发电一体机,它是当前市场的主流趋势。

而为了实现车辆的纯电动行驶甚至是电动四轮驱动,法雷奥开发了不同的技术产品和组合方案:一、结合P1电机(iBSG电机)增加法雷奥电子增压器,它可以进一步提升驾驶的动力性,节油效果也会更好;二、P3电机,将电机集成在变速箱内,进行模块化设计,其已经在DCT产品上实现;三、P1电机加P4电机,可以实现电四驱,即前轮以内燃机动力为主,后轮为电动驱动。“P1位置安装皮带式起发电一体机,可以实现低速短时纯电动功能,主要是在车辆起步阶段,由电机实现车辆的纯电动起步。而未来, P3和P4位置的技术可以实现真正意义上的纯电动行驶。”

法雷奥亚太区动力总成研发经理张雪飞表示, 48V是一套系统的解决方案,它可以进行不同的组合。如果只采用48V iBSG电机,可能没办法一步到位实现4L的油耗目标,但是如果进行一定的组合,比如将iBSG与48V电子增压器相结合(如以上所提到的e4Boost 48V动力总成系统),就能将内燃机功率实现很大提升,内燃机可以进一步小型化,同时扭矩输出也更大,变速箱的换档策略可以进一步改善,其节油效果可达到20%以上,甚至更高。

值得一提的是,在今年的巴黎车展上,法雷奥e4Sport系统首度全球亮相。该系统在e4Boost的基础上,又集成了“后轴驱动电机”,最大程度地回收了车辆制动能量并将其储存在48伏电池中,使其能够为车辆再利用。回收的能量主要用于:通过起动机,增加发动机的扭矩输出;通过电子增压器,在车辆加速阶段,发动机动力输出最大化;纯电模式下行驶以及当车辆抓地力不足时,通过48V eRAD系统和车辆后轴的连接,提升车辆性能,有效地将车辆转为四驱模式。

盖世小结:通过以上内容我们不难发现,从起动电机到电子增压,再到后轴驱动,48V系统正以更多的技术组合提升其节能效果以及动力性能。当然,这也使得该系统有机会在更严苛的油耗及排放法规下走得更远。

小排量加增压是如何流行起来的?
作者:小布侃车

要想解释清楚大家得紧随我的脚步,然后这期间又会插入一些其他问题,帮助你理解。

世界上第一个增压器是涡轮增压,由瑞士工程师Alfred Büchi1905年发明的,最初被应用在了柴油发动机上。而关于第一部汽油增压车型说法不一,一般认为是1962年的Oldsmobile Cutlass Jetfire轿车(奥士莫比,曾通用旗下,2000年决定关停这一品牌)

而无论如何,说1973年的宝马2002 Turbo将增压发扬光大并没有错,于是世人知道了这个以高性能且能节油为卖点的配置。(车头底部的2002 turbo是反写的,让前车能够从后视镜中看到他正在逐渐逼近)

缸内直喷也是一个有着悠久历史的技术,1955年的奔驰300SL首先采用了直喷。(同时,他也带给了世人鸥翼门)

而日本的三菱不但在1996年重新推出沉寂了多年的直喷发动机,还在2000年将二者结合在一起,随后大众等厂商更是进一步下探了直喷增压车型的起步价格,这两个老旧的技术,再次在这个星球上掀起了一波狂潮。

那么主要原因就是技术膨胀,八九十年代正是日本车企发展的鼎盛时期,马自达的转子引擎斯巴鲁的水平对置,三菱当然也需要自己的方向与特点,而诸如大众在当时仅仅是世界第八大汽车公司,也需要一些噱头与众不同(不过三菱步子迈的有点大,不同于大众借此技术上位,后来的三菱发展的并不理想)。所以这一切并不能证明三菱、大众技术娴熟或者走在时代前列什么的,毕竟一个濒临倒闭一个烧机油的问题迟迟没有解决。

而直喷发动机因为原理上和柴油机的压燃式有许多相似之处,于是和增压器非常搭,既然可以提供更猛的动力输出,各路厂商都选择了一起加上。

1.其他厂商为何会跟风?

一类是走量车厂,大众此举获得了一定的优势——发动机动力强劲又便宜,那怎么能行呢,我又不是不会。时隔多年,科技进步,我做的增压器也今非昔比了。

另一类是日本法国等理性车厂,上个世纪八九十年代是日本车发展的鼎盛时期,不说技术层面,丰厚的资金和在汽车行业的地位,使他们变得成熟稳重理智而不随波逐流,他们手握曾经、哪怕是现在依然领先的增压技术,客观分析民用市场确实不需要,所以就没在第一时间跟风。法国车企也是一样,标致雪铁龙雷诺也都在WRC或者F1等国际汽联顶级赛事中拿下冠军,证明自己拥有着当今车坛顶级的技术储备,但他们也极少下放在民用车上。但现在不同了,消费者被灌输了太多增压的吹捧信息,他们会主动购买增压款,而尤其是不仅在中国,很多国家的排放税收政策仅以排量为限,1.6T和1.6L都算作1.6及以下,此时节省的资金和获得的动力,就不得不考虑了。

而最后是跑车等公司,法拉利在当时不久后就推出了直喷的458车型,结合跑车超长的研发周期,很有可能法拉利才是真正的领先者,后来又在后继车型488上重新拾起了增压!法拉利在车坛的地位怎么说呢,就是很多时候我们不知道对与不对、是不是噱头,但是法拉利在新车型上采用了,就意味着新的时代来临了。另外,有很多厂商这么多年来一直没有放下增压车型,纵使大众可以放着令强迫症受不了的烧机油毛病的发动机不改,处女座创立的保时捷,可是追求极致品质的品牌,甚至在跑车届说他是最具质量保证也不为过,保时捷在911新车型上取消了turbo款加入了全系增压,在新的718boxster和cayman上也引入了小排量加增压,借此迈入60万以内领域,形成了一个完全没有竞争对手的局面。虽然不能说保时捷对增压的信任就能证明增压在今天的品质已经过关了。但通过二者绝对可以说在性能领域领域,直喷和增压证明了自己适合当代的发展。

2.添加零部件怎么会反而价格便宜?

对于发动机来讲,大排量则需采用更大的缸体,包括材料(铝合金或者铸铁)包括制造过程中消耗的能量、产生的排放污染等,多气缸产生更多的进气歧管凸轮轴曲轴等其他材料成本,甚至后期的调教都是几何倍数增长的,而对于添加一个像增压器这种上个世纪就早已出现、算不上什么新式科技的东西来讲,当然会更便宜。

3.他是怎么做到没提升排量,动力却更强劲的?

增压器顾名思义就是增加进气的压力,就是说强制的往里灌空气,那其中的氧气含量自然也高了,燃烧的更猛烈,动力也就更大。

4.那行吧,那他既然提供了更猛的动力,如何又做到省油?根据物理学来讲,这也不守恒啊?

这个问题一来可以认为是商家的噱头:因为说省油时往往指的是提供相同动力时,。2.0T比2.4的省油,而说动力凶猛时,又拿2.0的和2.0T的相比了,很不要脸的对比方式。其实2.0T是比2.0要费油一些的。

而另一个方面“为啥提供相同动力2.0T会比2.4的省油?”恐怕就得画图说明了,如果一句话解释的话就是发动机不同于电动机只有开关两个模式,一打开他就是额定功率,发动机是有转数、有不同工况的,非常遗憾的是我们今天获得了强劲的发动机,可我们却总不让他工作在最低油耗的工况之下(比如4000转5挡,也就是140km/h匀速,或者通过厂家高超技艺调教到90km/h匀速),我们恰好能每天工作在最低油耗工况的发动机我们却不使(又都想能上100km/h都想提速快一点),对小排量发动机增加增压器,会以小排量发动机工况为基础,提高发动机潜力,可以理解为我上述说的发动机,通过小排量加增压器以后最低油耗工况在70km/h虽然还是与现实有偏离,但我们的实际使用情况已经距离最低油耗工况更加接近了。

5.算你的,增压如此厉害,又不是什么新武器,怎么之前没火热起来?

没火热起来不能这么讲,在很多比赛中火热的不得了,因为提供的动力过于逆天,严重偏离了竞技体育的本质,诸如F1最后都只能采取禁止采用增压器的手段控制,要不然他们早“反”了。

只能说没在民用车领域火热起来:

增压器的运行温度极高,即便是现在,民用车依然有个七八百度,跑车一千多度根本打不住,不但自己是个易损件,在发动机这种狭小精密的环境内,也对其他零部件的材质和工作环境提出了较高要求。既然民用车领域发动机性能完全够用,就不必增加这么个“定时炸弹”了。

另外,增压器的输出也不够线性,放下涡轮迟滞不说,无论是废气涡轮增压还是机械增压,都有个介入时间,假如是4000转的话,用在民用车上很有可能我上下班一个多月,增压器一次也没有介入,我要他干啥?

最后,以前的增压器也非常娇贵,停车不能马上熄火,得等他冷却,启动后也得预热一下才能达到理想性能,非常不人性化。

6.那今天,随着科技的进步,这些问题都解决了呗?

我不是说这一切源自一个噱头嘛,即便今天,这些问题仍未解决:

我们的材料确实更加坚韧了,也就是更加抗折腾了,人性化方面也就自然改善了许多。但其实另一方面也是现在的增压器增压值小了,相比F1早在80年代年就普遍达到4.0bar甚至更多,1.5L排量轻松催化到2000匹马力(这也是F1后来禁止了增压器的原因),现在的民用车上普遍是0.5bar-1bar,性能车也不过区区1.8bar左右(A45 AMG的M133发动机)。

而涡轮迟滞,和涡轮介入时机,现在确实得到了明显改善,宾利添越高达900Nm的扭矩从1250转一直绵延到4500转,不得不说增压的威力尽显。

7.那今日小排量增压车型能保证比昨日的自吸车型性能更好吗?

首先,发动机性能绝不仅仅在于排量,它采用的材料,所能达到的转数,压缩比,增压器摆放的位置,增压值,是不是可变几何形状的涡轮叶片(VTG也叫可变截面涡轮增压器)有没有采用缸内直喷,有没有实现混合气分层稀薄燃烧,有没有可变气门正时或者行程,或者采用可变进气歧管,再有最新的混合动力,闭缸技术等等等等。科技的进步日新月异体现在材料、润滑、燃烧效率的方方面面,哪怕是没有科技进化的技术经历了时间重新打造,我敢保证他也依然是进步的。

另外,我们谈论“车”的性能和发动机也没什么太大关系,排量大的未必马力大,配大马力发动机的车型未必加速性好,加速性再好的,上了赛道也未必能赢,操控性、悬架、车身稳定性、底盘调教这些玄妙的名词可不是靠着账面数据来提升的,无论是奔驰的品质,挑战极限环境的Jeep,保时捷的性能与养护兼备,还是法拉利在车坛的地位,在纸面上他们都啥也不是。所以,就算发动机没有任何的进步,我们依然有理由相信车子的性能是在前进的!

最后,小型化增压的路线有可能起于噱头,但在今天得到大发展却是必然,这不仅仅是机械科技进步的结果,也关乎着金属材料、润滑油、三元催化剂等无数周边甚至整车零部件共同进步的结果,增压从偏离了民用性能爆发,到不可控制被人类疏远,到今天其他科技满足成为了我们崭新的控制成本、优化功耗比和满足政策法规的手段,是必然的发展。




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