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AVL 48V高性能集成式电桥
2020-03-27 08:24:12· 来源：AVL李斯特 作者：郭冠宁
原创郭冠宁AVL李斯特前天AVL 48V高性能集成式电桥摘要未来严格的二氧化碳排放限值以及传统车辆的驾驶区域限制，不仅要求对发动机和变速箱做出改进，还对动力总成
AVL 48V高性能集成式电桥
摘要
未来严格的二氧化碳排放限值以及传统车辆的驾驶区域限制，不仅要求对发动机和变速箱做出改进，还对动力总成电气化水平的提升提出了要求。相对于现行的12V供电系统和高压混动系统解决方案，48V系统可能是两者间比较具有吸引力的一种折中方案。48V系统可实现轻度混动，不仅能通过滑行、助推和能量回收实现高级起停等通用功能，甚至还能够满足有限的电动行驶特性，同时保证系统的价格经济实惠。如图1所示，48V技术对于当今车辆的挑战，是非常好的解决方案。
图1：未来车辆所面临的各类挑战
AVL正致力于峰值功率达30kW以上的48V电桥开发，目的是为了在低压系统条件下充分实现混合动力汽车的功能，以适中的成本达到令人惊艳的驾驶性能。相较于传统的48V驱动系统，AVL的新型P4构型电桥应能让客户在纯电动驱动模式下驾驶车辆。对比当前市面上所提供的其他系统，该方案对性能提出了更高的要求。下文将简要介绍48V电桥系统技术解决方案以及其特性。如图2所示，低排放区对传统车辆的驾驶施加各种限制，纯电动驱动模式的重要性日益凸显。
图2：未来动力总成所面临的各类挑战
混动化与48V系统
如图3所示，总体而言，48V是降低二氧化碳水平及排放的主流方案。过去，48V方案仅能在轻混和微混车辆上实现，而如今，48V的组件可以支持在强混和插电式混动车辆上的应用，且随着新技术的应用，性能也得到了一定的提升。
图3：混动化与48V系统
动力总成配置
如图4所示，通过将传动系的电驱动系统与发动机解耦功能相结合，可最大程度地实现48V系统的潜力，使车辆实现纯电动行驶，由此降低二氧化碳排放，达到与高压强混系统相近的减排效果。为了使效率达到最高以及实现纯电动驱动，目标车辆的布置应为P0或P4构型。
图4：48V动力总成配置
AVL 48V电桥系统
为了对电桥性能规范进行恰当的定义，本文通过一系列的使用工况来确定电桥的扭矩和功率需求。
使用工况：
- 路缘爬坡：由静止开始爬坡，在120mm高的路缘处，1个车轮的倾斜角为45°（仅限平整路面）。
- 车辆出库：坡度为15%（仅限蠕行）。
- WLTC市区工况下的整车零排放行驶（内城区禁令）：22km行驶里程（欧洲大城市间行驶），最大坡度为10%。
- WLTC和RDE工况下的整车零排放行驶：在零排放车辆模式下完全满足WLTC和RDE要求（仅限市区），混动功能支持速度达130 kph。
- 四轮驱动行驶：起步能力强化（混合动力汽车模式）
搭载48V电桥的目标车辆为D级车。表1为电桥的基本参数。
如图5所示，所设计的电桥系统要满足目标车辆的布置需求，同时可与传统的四驱后桥相集成。车辆集成了专门的解耦系统，目的是在低速区最大程度地从电气系统的支持中受益。当速度超过130 kph时，电驱动可从动力总成上解耦，从而避免产生拖曳损失，提升总体效率。
图5：48V电驱动桥
逆变器和电机采用水冷。冷却系统以串联的方式相连接，逆变器的冷却出口直接与电机的水套进水口相连，以实现电桥各个元件的最大化集成。
图6：电机输出外特性（峰值与额定工况）
1) 内置式永磁电机 （IPM）
采用带分布式绕组的六相电机，旨在满足低电压水平和低NVH性能下的高功率需求。所采用的电机为永磁同步电机（PMSM），输出外特性如图6所示，电机峰值扭矩达到约140 Nm、峰值功率超过32kW（受系统内部最大电流限制时所表现出的特性）。电气系统的效率与48V混合动力总成全部潜力的发挥有着最为密切的关联。图7为不同温度条件下的电机效率图，高效率（>90%）工作区域占比达75%。此外，鉴于该电机的布置目的是在城市驾驶工况下为车辆提供驱动力，由此，设计了满足城市驾驶要求的最高效率区域，从而使纯电动行驶的效率尽可能达到最佳水平。通过设计优化，在峰值扭矩输出条件下，转矩脉动为5.5%（峰峰值）。
图7：电机效率图
2) 变速箱
变速箱的布置选择采用中间轴同轴设计，以便在有限的后桥布置空间内完成布置。相较于图8中的其他布置结构，该布置从尺寸紧凑性和轴向宽度的角度而言均为最佳的方案。
图8：电桥变速箱布置
在定义电机扭矩和传动比时，常常需要从系统可用布置空间、电机最高转速以及电桥扭矩输出所需定值之中寻求平衡点。变速箱的输出轴最大扭矩达1260Nm，在有限空间内电机能够输出的最大扭矩为135Nm。综合电机的最高转矩及混动模式下达到130 kph车速的要求，确定减速比。当车速超过130 kph时，则可通过解耦元件断开车轮与电驱动桥的连接，从而防止拖曳损失的产生。变速箱设计的概览见图5。
3) 逆变器
AVL的六相逆变器如图9所示。扭矩、转速控制以及降额功能将通过CAN实现。完成诸如旋变器角度标定和电流传感器标定等服务功能的集成。将逆变器集成到电桥壳体内，由此构成一个逆变器和电机的联合冷却回路，减少接口数量，最终降低系统的复杂性和成本。通过对元器件的布置方式及散热结构的优化设计，有效提升了逆变器的最大相电流输出能力，满足电桥的峰值特性输出。
图9:六相逆变器
前景展望
随着发卡绕组在新能源汽车驱动电机上的应用日益增多，，AVL还可以提供集成了发卡绕组电机的电驱动桥。与现有的分布式绕组电机相比，其峰值扭矩增加12%左右，最高转速提升52%，有效材料质量下降27%。
结语
鉴于48V可为二氧化碳和排放的降低带来诸多益处，因此该方案未来会成为汽车行业中广泛采用的标准。除此之外，系统拓扑结构将朝着更多样的动力总成（如P2+P4）构型方向发展。
未来，48V的应用将向更高的功率范围拓展，这会使电动汽车的价格变得更加亲民，尤其是小型车。要实现这点，需要仔细研究如何取得高低压系统之间的平衡。
凭借高性能的48V电桥系统和丰富的混合动力系统开发经验，AVL能够为未来的汽车电动化提供经济实惠、高效及智能的解决方案。48V电驱动桥现已完成相关功能性测试，未来将在样车中进行系统集成，包括48V液冷电池包和BMS，TCU与HCU控制软件开发与标定等
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