大众公司Golf 8轿车 48V轻度混合动力总成系统

大众公司Golf 8轿车 48V轻度混合动力总成系统

大众公司在全新的Golf 8轿车上使用了轻度混合动力总成系统，其将内燃机与48 V皮带传动的起动机-发电机组合起来，除了12 V蓄电池之外还附加了高效的48 V蓄电池，其优点是具有回收能量的能力以及能短暂地脱开内燃机以实现行驶，这种动力总成系统还可用于改善车辆动力性以及起动-停机时的舒适性。

目前针对汽车驱动装置的开发工作是为了应对用户提出的进阶要求（例如舒适性和数字化）以及排放法规。后者要求显著降低汽车CO2排放，从2020年起生效的欧洲CO2排放限值平均为95 g CO2/km，应在2025年前降低15%以上，到2030年则应降低37.5%，而传统驱动技术的发展难以满足此类目标。其中一种解决途径是通过蓄电池以实现电驱动，但是其仅可实现局部不排放CO2的目标。2025年大众公司以“模块化电气化标准部件”（MEB）为基础的ID系列电动汽车的销售额预测为25%，但配装有内燃机的新车仍占有着绝大多数的市场份额。由此着重指出了开发混合动力技术的紧迫性，其中车辆部分电气化是一种主要措施，而混合动力可将两方面的优势结合在一起，根据系统的技术现状其可将行驶里程、供应公共设施、成本、燃油耗、功能和CO2排放等方面的优势得以有机结合。如图1所示可将其分为高电压和低电压系统。根据组合状况的不同，高电压系统的性能与纯电动车的性能相似，但是其弊端在于系统成本相对较高,而低电压方案例如12 V微混合动力车和48V轻度混合动力车（mHEV）虽然只能提供有限的功能范围，但是却具有均衡的成本-效益比。大众公司首先在第8代Golf轿车上采用了轻度混合动力，其可使驾乘人员感受到混合动力化的优越性。最初，EA211 evo系列81、96和110 kW功率等级的汽油机与双离合器变速箱（直接换档变速器，DSG）组合装备这种系统，除了百公里燃油耗最多降低0.4 L/100 km之外，根据运行状况的不同，轻度混合动力通过“回收能量”和“发动机怠速运转”（Freilauf-Motor-Aus）功能提高了动力性和行驶舒适性。

大众公司Golf 8轿车上的48 V轻度混合动力系统匹配了P0平行混合驱动系统（图2），基本动力总成系统相应添加了3个部件：皮带传动起动机-发电机（RSG）作为48 V电机替代12 V发电机；48 V锂离子蓄电池作为48 V汽车电路中的贮能器；48 V/12 V-直流/直流（DC/DC）变换器用于供应12 V汽车电路。

图2 整个系统图示

这种模块化方式具有可转换成更多发动机-变速箱变型的优点，并且部件集成的费用相对较低，从而获得良好的成本-效益比。

皮带传动起动机-发电机不仅能用于替代起动机，而且还可用于满足发动机起动功能和发电机功能，通过皮带传动将动力传输到内燃机曲轴上，为此新开发了带有双臂皮带张紧器的张紧装置，为了适应内燃机的特性，皮带传动比是可调节的。图3示出了皮带传动起动机-发电机（RSG）的扭矩特性。

图3 皮带传动起动机-发电机（RSG）的扭矩特性（部分示意）

位于汽车车厢内副驾驶员座位下方的48 V锂离子蓄电池针对工作能力、封装和成本进行了合理设计。在与内燃机脱开使车辆处于滑行状态期间，其能确保车辆上其余设备的能量供应，而且还可通过贮存回收的能量以此在48 V工况下运行时提供较高的放电功率，而48 V/12 V直流转换器可用于将12 V与48 V汽车电路连接起来，由于其设计紧凑同样可配装在车厢内。这种直流转换器具有2.7 kW的额定功率，在短时间内最多可传输3.7 kW的功率。

电气化驱动系统需要具有较强工作能力的驱动控制系统，其主要决定了驱动性能、用户感受和CO2排放。为了实现轻度混合动力系统（mHEV）的需要，通过修改内燃机汽车的驱动管理系统，最终实现了数种全新的系统功能。

大众公司Golf 7 BlueMotion轿车的发动机停止空转（FMA）功能以48 V系统为基础进行了进一步的开发。在放开加速踏板和制动踏板时，内燃机通过打开离合器，使其与车轮脱开并停机，从而避免了倒拖损失，其目的是将内燃机的运转时间减少到最低程度，同时利用车轮动能来克服行驶阻力，以减少CO2排放。与在倒拖运行过程中回收的能量相比，因避免了能量转换损失从而提升了效率。通过实际行驶分析表明，在短暂的滚动行驶路程后就开始滑行，即使发动机重新起动需消耗能量，但仍可实现节油效果，这不仅适用于车速较高的情况，也适用于市内道路行驶工况。用户开车时的前瞻性驾驶提供了重要的节能潜力，正如2017年款e-Golf轿车一样，这是通过“经济型驾驶提示”功能而实现辅助的。导航数据和雷达探测传感器的环境信息被用于进行空转控制，其目的是在下一个路段行驶中达到合适的车速，并尽可能利用车辆的动力系统，在需要的时候再接入倒拖行驶工况。如果车辆减速效果有限的话，系统可充分利用轻度混合动力回收能量的潜力来使车辆实现迅速制动。在显示屏上会提示驾驶员松开加速踏板的合适时间点。即使在使用车速调节装置（GRA）或自适应巡航控制（ACC）时FMA功能也可相应起到作用。此外，在停机过程中，采用轻度混合动力时的起动-停机功能可显著地起到前期作用，在车速较高时也可发挥相应作用。在低于约20 km/h车速时双离合器变速箱（即直接换挡变速器， DSG）不会实现换向连接，内燃机在常规驱动情况下仍可起到驱动作用，而随即实现脱开，从而有利于舒适性以及降低CO2和有害物排放。对于用户在行驶过程中能否接受发动机的状态转换而言，其最重要的是不能降低舒适性。48 V系统能满足此类要求，因为驾驶员的愿望在任何时候都可无滞后地实现。因RSG在短期内就可投入使用，即使在驾驶员即刻调整驾驶意图的情况下，例如在驶入十字路口时，内燃机也能实现无滞后地起动。

能量回收功能是48 V轻度混合动力车型第二项用于提高效率的重要措施。其所使用的机电式制动力放大器（eBKV）允许所需的减速能力可在能量回收和液压系统之间实现按需分配。轻度混合动力车将动能转换成电能的技术潜力示于图4。

图4 动力总成系统中的能量链（左）和能量（右）（WLTC行驶循环）

P0配置型式仅在内燃机处于接合的情况下才能实现能量回收。考虑到所有损失后减速能量中约有40%的能量被回收（图4中绿线），但是与较低的系统成本相比，其性价比仍有一定吸引力。

充电管理的任务是按需提供电能，这包括发动机、发电机和RSG的协调运作，使48 V蓄电池以智能充放电策略运行，以便始终能充分展现降低CO2排放的最大潜力，其中也需考虑到FMA和助力功能的可用性。

图5示出了锂离子蓄电池的容量分配。其通常用于FMA阶段、起动-停车运行和非稳态补偿的基本能量提前量。如果此类能量无法得以保证的话，以此可借助于高效的负荷工况点而实现补充充电。蓄电池的充电状态（SoC）应尽可能保持在空档状态，此时汽车电路的需求仅通过能量回收来实现补偿。在空档时需通过降低内燃机负荷工况点来放电，其目的是随时准备好吸收制动能量，但同时要尽可能高效地使用在此期间贮存的能量。

图5 充电策略

上文所述的策略应在尽可能多的行驶状态中得以实现，为此图6以实例示出了在真实行驶循环（RDE）中的系统特性。图6（左图）示出了在频繁减速阶段的非稳态行驶方式，例如在市内行驶状态下，其间能量回收的潜力是较高的，回收的能量首先被用于供应12 V汽车电路，而48 V蓄电池不会主动进行补充充电，并且内燃机将会长期地处于脱开状态，以此降低了CO2排放。此外，还可通过助力/非稳态补偿功能实现电能转换。图6（中图）提供了更多的能量回收策略，例如在斜坡路段上（ü1），在这种情况下则通过降低负荷工况点进行放电。图6（右图）中的补偿行驶方式的特点是采用较长的FMA阶段和少量的能量回收，这是长途行驶和高速公路行驶所特有的。12 V汽车电路给48 V蓄电池放电直至空档范围极限（A1），因为回收的能量不足以补偿需求。为了确保系统功能的可用性，从而通过提高负荷工况点进行补充充电（A2）。

图6 在真实用户运行中轻度混合动力车的充电策略（部分示意）

轻度混合动力系统在瞬态状况下可辅助内燃机以改善加速能力和响应特性，特别是在低转速情况下。在低转速范围内助力功能可用于短期提高系统扭矩，在负荷转换时非稳态补偿用电产生的力矩可加速建立扭矩，从而明显地提高增压压力建立期间的自发性，在从低转速负荷突变时能快速地达到系统最大扭矩的25%。

发动机状态的转换应迅速且舒适地进行，Golf 8轿车上的舒适起动功能就有助于达到该要求。常规的小齿轮起动机最高仅能达到约250 r/min，而RSG辅助发动机起动时就可达到怠速转速，同时缩短了起动时间，并能更快速地越过该装置的谐振转速区域，从而大幅降低了起动时的振动倾向。相对而言，采用RSG起动能减少内燃机喷油量，此外还能有针对性地进行转速曲线调整，而且在内燃机起动期间RSG还能使车辆实现直接加速（图7），可显著改善起动加速性能。

图7 起动加速过程的扭矩/转速曲线（示意）

为了从滑行状态转换到能量回收状态，从而开发了倒拖-起动功能（图8）。在减速开始时，通过机电式制动力放大器（eBKV）建立制动压力，同时发动机不喷油，借助于RSG加速到怠速转速并实现连接，然后使系统根据减速要求减小制动压力，并通过电诱导的制动力矩按需减速。

图8 倒拖-起动过程

在停机时RSG可主动使内燃机减速，从而即使在停机过程中也能更快速地越过谐振转速区域，以此能将停机振动降低到最低程度从而明显改善乘客的舒适度，此外RSG同时可将旋转和振动质量的动能转换成电能，特别是在需求FMA的情况下使发动机频繁地从高转速停机，因此从能量转换的角度来看，起动-停机过程至少大部分时候是在空档范围内进行的。

为了使双离合器变速箱（DSG）舒适且快速地实现换档，将转速调整到同步状态是必不可少的，为此轻度混合动力系统使用了RSG，从而改善了舒适性并降低了有害物和CO2排放。

在怠速运转时，转速调节干预同样也需借助于RSG来进行。与传统的通过调整点火角来进行调节相比，可取消扭矩提前量，从而在最佳点火角情况下运行，并使燃油耗最多降低约20%（图9）。

图9 用RSG（左）和传统方法（右）进行怠速运转调节的比较

大众公司应用48 V轻度混合动力技术持续不断地推进其旗下车型品牌的电气化。轻度混合动力组合了诸多优点：其提供了较好的成本-效益比，同时无需复杂的匹配就能集成到现有的车型上，智能设计又具备众多的功能，并能按照当时的行驶状况自动应用这些功能。除了Golf 8轿车之外，这些全新的动力装置还将相继装备到大众集团中的变型车上，中期还会有更多车型装备这些新的动力装置，例如SUV和MPV类型的车辆，这些业务的扩展将对降低公司车队CO2排放值产生有利的效果。此外，目前正在试验更多的模块化标准部件的48 V电气化。所介绍的这种轻度混合动力还可扩充一系列的附加装置，既可在功能方面又可在部件层面上加以扩充，因此这种48 V混合动力系统已逐步得以应用，其既能进一步降低CO2排放，又能改善驾乘舒适性。

作者：[德]C.HELBING等

整理：范明强

编辑：伍赛特