1、48V电桥 新的中混解决 方案 陈鹏, 项目 经理 牛铭奎 博士, 总监 电驱动, 舍 弗勒 贸易( 上海)有限公 司 总结 随着汽车排放法规 日益严格和 燃料价格不断 上涨， 越来越多的工业化 国家达成共 识，未来 的汽车应该有更低的二氧化碳排放和 能耗。这些要 求可以通过传统动力总成的电气化来 实现。 目前，在传统的动力总成上搭载额外 的锂离子电池 、高压功率电子和引入高压混合动力 车所要 求的安全 技术 会产生 高昂的 费用， 而48V系统 可以 避免高电 压系 统的高 成本以 及12V电源的 功 率限制。 舍 弗勒开 发的峰 值功率 为12 千 瓦的48V 电 桥提供 了一 种高性 价
2、比的 混 动化方案，它包括一 个电机、两级行星齿轮以及一个电子 机械式换档机 构。电机的功率电子和换档执行器被 集成在 电驱动桥中。两 档变速箱 可以在一档 实现车辆纯 电起步到20 公里/小时。除 了用在频 繁起停的 路况，纯电行驶也可用于部分自动驾 驶操作，如泊 车。在二档，助力和能量回收可以在 很宽的 车速范围内实现。根据不同的车型，电动巡航（车速恒定）速度可以最高达到约70 公里/小 时。 搭载一个电机和两 档变速箱的舍 弗勒48V 电 桥可以 实现高达15 的节油 率。 1. 中国市场的 需求 与挑 战 近五年来中国汽车保有量增长迅速，至2013 年末中 国汽车保有量达1.37 亿辆
3、。汽车保有量 的大幅增长所带来的能源安全和环境 问题将更加突 出。目前，交通运输业已成为中国第 二大石 油消费行业。2013 年中国石油对外依存度达到58.2% ，并还将持续上升，这给中国能源安全带 来不确定因素和风险。同时，汽车造 成的城市道路 拥堵已成为越来越多的城市共同面临 的一大 社会顽疾，汽车尾气排放也是环境污 染和二氧化碳 排放的主要来源之一。为缓解能源与 环境压 力、推 动汽 车产业 可持 续发 展，中 国政 府提 出了 到2020 年 中国乘 用车 平均 燃料消 耗量 降至5.0 升/100 公里 的目标。 2013 年中国国产汽车企业平均燃料消耗量为7.33 升/100 公里
4、1 ，为达到2020 年的油耗 目 标还需要降低约32% 的油耗 。根据分析2 ，改进传 统内燃机技术所带来的节油潜力有限，需要 进一步的电气化以达 到2020 年油耗目 标。政府对降 低石油消耗的迫切愿 望以及随之而 来的政府 补贴都为中国新能源汽车的发展提供 了优越的条件 。另外，大型城市的广泛分布以及典 型的城 市工况，如城市中较短的行驶距离、 频繁的起停过 程、较低的行驶速度、以及频繁的加 减速过 程等，也非常适合 电驱动技术的 应用。 然 而， 纯电 动汽车 的产 业化 还需要 一段 时间 。传统 动力 总成 的混动 化可 视为 一种过 渡 技 术。目前混合动力汽 车已经可以达到 排
5、放低于100 克二氧化碳/ 公里。高 功率的电机加 上一个小型化的内燃机能实现的行驶里程与搭 载传统动力总 成的车辆相当。其所需的电功率是由 具有高 达600伏工 作电 压的 系统 提 供， 电能 通常 由几 千瓦 时（ 度） 电量 的锂 离子 电池 提供 。但 是，锂 离子电池、高压功 率电子和所需 的安全技术相 对于 传统的动力总成会 产生高昂的额 外成本。 2. 48V 电桥系统 的功 能和优 点 48V 系统 可避 免高电 压系 统带来 的高成 本以 及12 伏电源 的功率 限制。 相比 于高压 系统， 48V 系 统所需 要的 电气 和电子 部件 的成本 要低 得 多，并 且电 池可
6、设 计具 有更小 的容 量。 同时 48V 系统不在接 触保护等法规 的要求范围之 内。 在48V 系统中电流高达250 安培（A ），可 实现最高12千瓦的输出功 率，其可用电力足以减 少内燃机在低车速 、低工作效率 范围内的使用 频率 。 图1 车辆能量回收潜 力 图1 表 示针对B级到F 级别 车辆 在不同 驾驶 循环 （NEDC ，WLTP ，Artemis ） 中可 回收 的最 大能量与制动功率的关系。48V 系统通过搭载峰值 功率为10-12 千瓦的电机可以实现80% 的能 量回收率（B 级/C 级车，NEDC 循环），回收 能量 可用于车辆的下一 次加速。 即使更重的车辆在更加动
7、态的驾驶循环中（E 级/F 级车，WLTP 循环），通过搭载48V 系统 可以实 现超 过60% 的制 动能 量回 收。 虽然 高压 混动系 统 可以 实现100 能量 回收 率， 但由 此增 加的系统成本远高 于多回收能量 所带来的效益 。图2. 48V 系统功能比较 在图2中比较了不同48V 混动系统架构的功能 。与 皮带式起动发电机（BSG ）和集成式 起 动发电机（ISG ）相比，由于没有 发动机拖曳扭 矩 的影响，P2 混动模块与电桥在纯 电爬行、纯 电行驶、电动巡航以 及能量回收方 面都表现出更 好 的性能和更高的系统 效率。虽然P2 混 动模块 在发动机起停和负荷点转移方面表现
8、更好，但是电 桥有一个显著的优势，即通过安装在 后驱动 桥的电桥实现电动 四驱功能。前 驱动桥与后驱 动桥 分别由传统动力总 成和电桥独立 驱动。 由传统动力总成与48V 电桥组 成的电动四驱 系统具 有以下优点： 四轮驱动功能 作为扩展系统，与 传统动力总成 可兼容 可实现低速纯电行 驶 通过两档变速箱可 实现高速下的 电动巡航 通过发动机解耦可 显著降低发动 机摩擦与拖曳 损失 更好的燃油经济性图3. 发动机拖曳扭矩的影响 发动机拖曳 扭矩在 燃油经济 性中起 到了至关 重要 的左右。图3展 示了针对 三种不 同车辆级 别与发动机在NEDC 循 环中发动机拖 曳扭矩消耗能 量、制动能量与回
9、 收能量的比较 （采用12千 瓦BSG 电机）。以上可以看出，在NEDC 循环中发 动机拖曳扭矩消耗 的能量远大 于回收能量。 通过发动机解耦可 以减少拖曳扭 矩，从而实现 更好 的燃油经济性。 图4 比较了电桥与BSG 系统在NEDC 循环 中所能提 供的轴荷扭矩。由于没有 发动机拖曳扭 矩的影响以及电桥在一档具有大速比，电桥可以提 供较高的轴荷扭矩，使车辆起步达到15 公里 / 小时。与之相反 ，除去发动机 拖曳扭矩之后BSG 系统所能提供的净轴 荷扭矩小于NEDC 循环中 车辆所需轴荷扭矩，不足于驱动车辆起步。而且， 电桥在能量回收时比BSG 系统具 有更高的效 率。另外，由于电桥在二档
10、时具有小速比，可以实现高达70km/h 的纯电巡航。而由于速比的 限制，BSG 系统在高 车速(70km/h) 时所 能提供的轴 荷扭矩较小，不足 以单独驱动车 辆。图4. NEDC 中轴荷扭矩比较 基 于以上 分析， 电桥相 对BSG 系 统在纯 电起步 ，能 量回收 以及电 动巡航 时具有 更高的 效 率。48V 电桥可 以在NEDC 循环中 实现15% 的节 油 率（图5 ）。 图5. NEDC 循环中48V 电桥与BSG 的节油率比 较48V 电桥 的设 计与开 发应 基于 最优 利用 整个 功率范围 的理 念。 要最 大程 度上 降低 二氧化 碳 排 放，需 要较 小速比 ，这样48
11、V 电桥的 高效 区域和最 大功率 都可 以在一 个较宽 的车速 范围内 为 电动巡航与能量回 收所利用。 同时，车辆需要在0-15 公里/ 小时 车速范围内具有 高 轴荷扭矩，因此需要 大速比。对于驾 驶 员来说 这是在不降 低驾驶舒适性 的前提下，在 车辆 加速时体验纯电的 驾驶乐趣的唯 一方法。 因此集成一个两档 变速箱到电 桥当中是有必 要的。 相对于单档电桥， 两档电桥具 有以下优 点（图6 ）： 采用一档的大速比 可以实现更好 的加速性能和 爬坡 能力 采用二档的小速比 可以提高最高 车速和拓宽车 速范 围 更低的电机运行转 速，更好的 NVH 电机可小型化 更大的高效区域和 更高
12、的综合运 行效率，可采 用更 小的电池容量或者 提高纯电续航 里程 图6. 单档与两档比较 3. 舍弗勒48V 电桥解决 方案 舍弗勒48V 电 桥可以应 用在不同 的整车架 构中。纯 电行驶和能量 回收完全 由48V 电 桥完成 （图7a,7b ）。为了启动发动机，仍然需要12V 起 动电机。另外，传统动力总成和电桥分别驱 动前、后桥，实现 电动四驱功能 （图7c ） 在后驱车型中电桥 安装在后桥 前端，由后桥 差速器 的法兰支撑，并与 万向轴保持 同轴。电 桥所产生的扭矩通 过万向轴和后 桥差速器传递 到后 轮。 在前驱车型中电桥 安装在变速 箱后端，通过 法兰连 接在变速箱壳体上 。电桥
13、所产 生的扭矩 通过变速箱中间轴 传递到前桥， 从而驱动车辆 行驶 。 对 于具 有更 高驾 驶动 态响 应要 求的高 端车 型， 可以采 用带 扭矩 矢量 分配 功能 的舍 弗勒48V 电桥。它可以 提供48V 电桥的全部功能 并增加后轮 的扭矩矢量分 配功能（图7d）， 从而具有更 好的驾驶性和动态 响应特性。图7 整车架构方案 舍 弗勒48V 电 桥包括 一个 电机 ，两 级行 星齿 轮以及连 接齿 轮和 万向 轴的 电子 机械 式换档 机 构。电机的功率电 子和换档执行 器被集成在后 轴驱 动的传输通道中。 图8 舍弗勒48V 电桥结构 为了得到起步所需 扭矩，到驱 动轴的高减速 比是
14、必 要的。行星齿轮可 实现的最大 速比受到 太阳轮与齿圈的节圆直径比例的限制 ，舍弗勒通过 使用尽可能小的太阳轮和一个创新的 较容易 安装在壳体中的齿圈，可以使传动比 达到最大。第 一级和第二级齿轮的齿数是相同的， 两极行 星齿轮都与固定在 壳体上的同一 个齿圈相啮合 。在一档时电机产生 的动力通过 第一级行星齿 轮的太 阳轮传递到行星架 。同时第一 级行星齿 轮的行星架与第二级行星齿轮的太阳 轮相连接。最 终动力通过第二级行星齿轮的行星架 输出。 行星齿轮的行星架 与中间轴的锁 止通过换档执 行器 与同步环来实现。 图9 电桥动力传递路 线 在二档时第一级行 星齿轮的行 星架直接与中 间轴相
15、 连接。因此只有第 一级行星齿 轮参与动 力传递，第二排行 星齿轮在空转 。 舍弗勒48V 电桥 在后驱车型中 典型的系统构 型如图10所 示： 图10 舍弗勒48V 电桥与车辆接 口 舍弗勒48V 电 桥和整车 之间的接 口需根据 具体车型 来定义。48V电池通过 功率电子 供给电 机所需要的电功率。同时，整车控制单元（ECU ）和功率电子通过车辆总线（CAN 或 FlexRay ） 进行通讯 ，ECU 所 要求的扭 矩通过功 率电子中的 控制单元 转化为 对电池的 电流需 求。 换档执行器同样通 过车辆总线 与整车控制器 通讯， 并且根据驾驶工况 把整车控制 器的换档 命令转化为执行器 位
16、置信号。换 档执行器由车 载12V 电源供电。除了控制信号，车 辆总线还传 送位置、温度 和电流 传感器数据，以允 许整车控制 器随时监 控混动系统的当前状态。换档执行器 的底层驱动软 件以及控制算法都由舍弗勒独立完成 ，并且 可以根据目标车型 的要求进行修 改与匹配。 机械接口包括中间 轴与万向轴的 连接，以及后 桥差 速器和电桥法兰的 连接。 舍 弗勒48V 电 桥样机 分别由 两个主 机厂进 行了台 架以 及样车 测试（ 图11 ）。测试的重点除 了测量电桥在车上的温度特性和纯电 驱动与内燃机 驱动的模式切换，还包括搜集纯电行 驶的数 据以及由电动滑行 和能量回收带 来的二氧化碳 减排
17、量。 图11 舍弗勒48V 电桥样机台架 测试 在开 发舍 弗勒48V 电 桥过 程中 ，采 用模 块化 设计原则 是至 关重 要的 。因 为可 以沿 用通用 的 量产零部件， 模块化设 计的理念 已得到广 泛认可。48V 电桥样品的电机来自于BSG 电机，电机 的定转子已经大批量生产。电桥的设 计高度集成， 壳体为集成功率电子进行了设计调整 。同时 可以沿用BSG 系统中 大部分的发动 机控制和总 线接 口。 与 功率 电子 器件关 联的 换档 执行器 已被 使用 于舍弗 勒高 压电 桥，无 需任 何修 改即可 用 在 48V 电桥系统当 中。 变速箱、 壳体和软硬 件接口已 经为48V 电
18、桥的 相关应用进行 了调整。 零部件共用策略可 以避免针对每 个客户的全新 开发 ，而仅需要应用匹 配。 4. 总结与展望 峰值 功 率为12 千 瓦的舍 弗勒48V 电 桥提供 了一种 高性 价比的 混动化 方 案。基于模块化设计 原 则，共 用已 有的换 档控制 器和采 用已大 批量 生产的 零部件 ，使 得开发 出低成 本的48V 电驱动 桥成为可能。 电桥变速箱包含两级行星齿轮。两档变速 箱可以 利用一档实现车辆纯电起步到20 公里/ 小 时。除了用在频繁起停的路况，纯电 行驶也可用于 部分自动驾驶操作，如泊车。在二档 ，助力和能量回收可以在很宽的车速范围内 实现。根据不 同的车型，电
19、动巡航（车速恒定）可 以最高 达到约70 公里/ 小 时的速度。 搭载一个电机和两 档变速箱的舍 弗勒48V 电 桥可以 实现高达15 的节油 率 采用更高功率的电机，如从12 千瓦增加到18 千 瓦， 可以预期获得更高的制动功率和更好 的 能量回收率。另外，通过改变电机的 冷却方式，从 风冷转变为油冷，可以有效提高电机 的额定 功 率。这 些都 是舍弗 勒针对48V 电桥下 一步 要研究的 工作。 除此 之外， 结合扭 矩矢量 分配功 能 对轮胎滚动阻力的 优化也是进一 步研究的方向 。 5. 参考文献 1 OEMs Production Volume and CAFC Status in
20、2013, MIIT China, 2014. 2 Dr. Bernd B.: The impact of powertrain electrification on the automotive industry- challenges and chances, Bosch, 2011. 3 Sattler, M.; Dr. Smetana, T; Meyerhfer, T; Khlkamp, K: 48 V Minihybrid A New Solution for the Minimal Hybridization of Vehicles 22nd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2013 4 Picron, V.; Forunigault, D.; Baudesson, P.; Armiroli, P. “Kostengnstiges Hybridsystem mit 48-V-Bordnetz” ATZ, 10/2012 Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Wiesbaden, 2012
