48V輕混目前已逐漸成為新能源的“香餑餑”，這主要是來源于嚴(yán)苛的汽車排放的壓力，以及搭載額外高壓功率電子等技術(shù)要求產(chǎn)生的成本增高等多方因素而形成的。 48V系統(tǒng)最大的特點(diǎn)之一就是可以對高壓系統(tǒng)進(jìn)行降本增效，以及避免12V電源的功率限制。
今天，我們就以舍弗勒為例，詳細(xì)解讀P4電驅(qū)橋四驅(qū)技術(shù)方案——
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系統(tǒng)及應(yīng)用簡介
電驅(qū)動技術(shù)首先需要面對的是典型城市工況，比如城市中較短的行駛距離、頻繁的起停過程、較低的行駛速度、以及頻繁的加減速過程等，這些是電驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用的絕佳舞臺，但再次過程中也遇到了諸多挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)動力總成的混動化、電氣化成為了過渡技術(shù)的選擇。目前混合動力汽車已經(jīng)可以達(dá)到排放低于100克碳/公里。 高功率的電機(jī)加上一個小型化的內(nèi)燃機(jī)能實(shí)現(xiàn)的行駛里程與搭載傳統(tǒng)動力總成的車輛相當(dāng)。其所需的電功率是由具有高達(dá)600伏工作電壓的系統(tǒng)提供，電能通常由幾千瓦時電量的鋰離子電池提供。 但是，鋰離子電池、高壓功率電子和所需的安全技術(shù)相對于傳統(tǒng)的動力總成會產(chǎn)生高昂的額外成本。 舍弗勒開發(fā)的峰值功率為12千瓦的48V電橋提供了一種高性價比的混動化方案，它包括一個電機(jī)、兩級行星齒輪以及一個電子機(jī)械式換檔機(jī)構(gòu)。電機(jī)的功率電子和換檔執(zhí)行器被集成在電驅(qū)動橋中。 兩檔變速箱可以在一檔實(shí)現(xiàn)車輛純電起步到20km/h。除了用在頻繁起停的路況，純電行駛也可用于部分自動駕駛操作，如泊車。在二檔，助力和能量回收可以在很寬的車速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)不同的車型，電動巡航（車速恒定）速度可以最高達(dá)到約70km/h。搭載一個電機(jī)和兩檔變速箱的舍弗勒48V電橋可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)15％的節(jié)油率。
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48V系統(tǒng)的功能&優(yōu)勢
正如上文所說，相比于高壓系統(tǒng)，48V系統(tǒng)所需要的電氣和電子部件的成本要低得多，并且電池可設(shè)計具有更小的容量。 同時48V系統(tǒng)不在接觸保護(hù)等法規(guī)的要求范圍之內(nèi)。在48V系統(tǒng)中電流高達(dá)250A，可實(shí)現(xiàn)最高12千瓦的輸出功率，其可用電力足以減少內(nèi)燃機(jī)在低車速、低工作效率范圍內(nèi)的使用頻率。
上圖表示針對B-F級別車輛在不同駕駛循環(huán)（NEDC/WLTP/Artemis）中可回收的最大能量與制動功率的關(guān)系。48V系統(tǒng)通過搭載峰值功率為10-12千瓦的電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)80%的能量回收率（B級/C級車/NEDC循環(huán)），回收能量可用于車輛的下一次加速。 即使更重的車輛在更加動態(tài)的駕駛循環(huán)中（E級/F級車/WLTP循環(huán)），通過搭載48V系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超過60%的制動能量回收。雖然高壓混動系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)100％能量回收率，但由此增加的系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于多回收能量所帶來的效益。
上圖比較了不同48V混動系統(tǒng)架構(gòu)的功能。與皮帶式起動發(fā)電機(jī)（BSG）和集成式起動發(fā)電機(jī)（ISG）相比，由于沒有發(fā)動機(jī)拖曳扭矩的影響，P2混動模塊與電橋在純電爬行、純電行駛、電動巡航以及能量回收方面都表現(xiàn)出更好的性能和更高的系統(tǒng)效率。 雖然P2混動模塊在發(fā)動機(jī)起停和負(fù)荷點(diǎn)轉(zhuǎn)移方面表現(xiàn)更好，但是電橋有一個顯著的優(yōu)勢，即通過安裝在后驅(qū)動橋的電橋?qū)崿F(xiàn)電動四驅(qū)功能。前驅(qū)動橋與后驅(qū)動橋分別由傳統(tǒng)動力總成和電橋獨(dú)立驅(qū)動。 由傳統(tǒng)動力總成與48V電橋組成的電動四驅(qū)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
四輪驅(qū)動功能
作為擴(kuò)展系統(tǒng)，與傳統(tǒng)動力總成可兼容
可實(shí)現(xiàn)低速純電行駛
通過兩檔變速箱可實(shí)現(xiàn)高速下的電動巡航
通過發(fā)動機(jī)解耦可顯著降低發(fā)動機(jī)摩擦與拖曳損失
更好的燃油經(jīng)濟(jì)性
發(fā)動機(jī)拖曳扭矩在燃油經(jīng)濟(jì)性中起到了至關(guān)重要的左右。圖3展示了針對三種不同車輛級別與發(fā)動機(jī)在NEDC循環(huán)中發(fā)動機(jī)拖曳扭矩消耗能量、制動能量與回收能量的比較（采用12千瓦BSG電機(jī)）。 以上可以看出，在NEDC循環(huán)中發(fā)動機(jī)拖曳扭矩消耗的能量遠(yuǎn)大于回收能量。通過發(fā)動機(jī)解耦可以減少拖曳扭矩，從而實(shí)現(xiàn)更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。
上圖比較了電橋與BSG系統(tǒng)在NEDC循環(huán)中所能提供的軸荷扭矩。由于沒有發(fā)動機(jī)拖曳扭矩的影響以及電橋在一檔具有大速比，電橋可以提供較高的軸荷扭矩，使車輛起步達(dá)到15km/h。 與之相反，除去發(fā)動機(jī)拖曳扭矩之后BSG系統(tǒng)所能提供的凈軸荷扭矩小于NEDC循環(huán)中車輛所需軸荷扭矩，不足于驅(qū)動車輛起步。而且，電橋在能量回收時比BSG系統(tǒng)具有更高的效率。 另外，由于電橋在二檔時具有小速比，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)70km/h的純電巡航。而由于速比的限制，BSG系統(tǒng)在高車速（70km/h）時所能提供的軸荷扭矩較小，不足以單獨(dú)驅(qū)動車輛。 基于以上分析，電橋相對BSG系統(tǒng)在純電起步，能量回收以及電動巡航時具有更高的效率。48V電橋可以在NEDC循環(huán)中實(shí)現(xiàn)15%的節(jié)油率，如下圖所示。
48V電橋的設(shè)計與開發(fā)應(yīng)基于最優(yōu)利用整個功率范圍的理念。要最大程度上降低二氧化碳排放，需要較小速比，這樣48V電橋的高效區(qū)域和最大功率都可以在一個較寬的車速范圍內(nèi)為電動巡航與能量回收所利用。 同時，車輛需要在0-15km/h車速范圍內(nèi)具有高軸荷扭矩，因此需要大速比。對于駕駛員來說這是在不降低駕駛舒適性的前提下，在車輛加速時體驗純電的駕駛樂趣的唯一方法。 因此集成一個兩檔變速箱到電橋當(dāng)中是有必要的。相對于單檔電橋，兩檔電橋具有以下優(yōu)點(diǎn)：
采用一檔的大速比可以實(shí)現(xiàn)更好的加速性能和爬坡能力
采用二檔的小速比可以提高最高車速和拓寬車速范圍
更低的電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，更好的NVH
電機(jī)可小型化
更大的高效區(qū)域和更高的綜合運(yùn)行效率，可采用更小的電池容量或者提高純電續(xù)航里程
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舍弗勒的48V解決方案
接下來我們來看看舍弗勒的具體解決方案。
舍弗勒48V電橋可以應(yīng)用在不同的整車架構(gòu)中。純電行駛和能量回收完全由48V電橋完成（圖7a、7b）。為了啟動發(fā)動機(jī)，仍然需要12V起動電機(jī)。 另外，傳統(tǒng)動力總成和電橋分別驅(qū)動前、后橋，實(shí)現(xiàn)電動四驅(qū)功能（圖7c）在后驅(qū)車型中電橋安裝在后橋前端，由后橋差速器的法蘭支撐，并與萬向軸保持同軸。 電橋所產(chǎn)生的扭矩通過萬向軸和后橋差速器傳遞到后輪。在前驅(qū)車型中電橋安裝在變速箱后端，通過法蘭連接在變速箱殼體上。電橋所產(chǎn)生的扭矩通過變速箱中間軸傳遞到前橋，從而驅(qū)動車輛行駛。 對于具有更高駕駛動態(tài)響應(yīng)要求的高端車型，可以采用帶扭矩矢量分配功能的舍弗勒48V電橋。它可以提供48V電橋的全部功能并增加后輪的扭矩矢量分配功能（圖7d），從而具有更好的駕駛性和動態(tài)響應(yīng)特性。 舍弗勒48V電橋包括一個電機(jī)，兩級行星齒輪以及連接齒輪和萬向軸的電子機(jī)械式換檔機(jī)構(gòu)。電機(jī)的功率電子和換檔執(zhí)行器被集成在后軸驅(qū)動的傳輸通道中。
上圖中，舍弗勒48V電橋結(jié)構(gòu)為了得到起步所需扭矩，到驅(qū)動軸的高減速比是必要的。 行星齒輪可實(shí)現(xiàn)的最大速比受到太陽輪與齒圈的節(jié)圓直徑比例的限制，舍弗勒通過使用盡可能小的太陽輪和一個創(chuàng)新的較容易安裝在殼體中的齒圈，可以使傳動比達(dá)到最大。 第一級和第二級齒輪的齒數(shù)是相同的，兩極行星齒輪都與固定在殼體上的同一個齒圈相嚙合。在一檔時電機(jī)產(chǎn)生的動力通過第一級行星齒輪的太陽輪傳遞到行星架。 同時第一級行星齒輪的行星架與第二級行星齒輪的太陽輪相連接。最終動力通過第二級行星齒輪的行星架輸出。行星齒輪的行星架與中間軸的鎖止通過換檔執(zhí)行器與同步環(huán)來實(shí)現(xiàn)。
在二檔時第一級行星齒輪的行星架直接與中間軸相連接。因此只有第一級行星齒輪參與動力傳遞，第二排行星齒輪在空轉(zhuǎn)。 舍弗勒48V電橋在后驅(qū)車型中典型的系統(tǒng)構(gòu)型如圖10所示：
舍弗勒48V電橋和整車之間的接口需根據(jù)具體車型來定義。48V電池通過功率電子供給電機(jī)所需要的電功率。 同時，整車控制單元（HCU）和功率電子通過車輛總線（CAN或FlexRay）進(jìn)行通訊，ECU所要求的扭矩通過功率電子中的控制單元轉(zhuǎn)化為對電池的電流需求。 換檔執(zhí)行器同樣通過車輛總線與整車控制器通訊，并且根據(jù)駕駛工況把整車控制器的換檔命令轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器位置信號。 換檔執(zhí)行器由車載12V電源供電。除了控制信號，車輛總線還傳送位置、溫度和電流傳感器數(shù)據(jù)，以允許整車控制器隨時監(jiān)控混動系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。 換檔執(zhí)行器的底層驅(qū)動軟件以及控制算法都由舍弗勒獨(dú)立完成，并且可以根據(jù)目標(biāo)車型的要求進(jìn)行修改與匹配。機(jī)械接口包括中間軸與萬向軸的連接，以及后橋差速器和電橋法蘭的連接。
舍弗勒48V電橋樣機(jī)分別由兩個主機(jī)廠進(jìn)行了臺架以及樣車測試，如下：
測試的重點(diǎn)除了測量電橋在車上的溫度特性和純電驅(qū)動與內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的模式切換，還包括搜集純電行駛的數(shù)據(jù)以及由電動滑行和能量回收帶來的二氧化碳減排量。
在開發(fā)舍弗勒48V電橋過程中，采用模塊化設(shè)計原則是至關(guān)重要的。因為可以沿用通用的量產(chǎn)零部件，模塊化設(shè)計的理念已得到廣泛認(rèn)可。 48V電橋樣品的電機(jī)來自于BSG電機(jī)，電機(jī)的定轉(zhuǎn)子已經(jīng)大批量生產(chǎn)。電橋的設(shè)計高度集成，殼體為集成功率電子進(jìn)行了設(shè)計調(diào)整。同時可以沿用BSG系統(tǒng)中大部分的發(fā)動機(jī)控制和總線接口。 與功率電子器件關(guān)聯(lián)的換檔執(zhí)行器已被使用于舍弗勒高壓電橋，無需任何修改即可用在48V電橋系統(tǒng)當(dāng)中。變速箱、殼體和軟硬件接口已經(jīng)為48V電橋的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)整。零部件共用策略可以避免針對每個客戶的全新開發(fā)，而僅需要應(yīng)用匹配。
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技術(shù)總結(jié)
峰值功率為12千瓦的舍弗勒48V電橋提供了一種高性價比的混動化方案。基于模塊化設(shè)計原則，共用已有的換檔控制器和采用已大批量生產(chǎn)的零部件，使得開發(fā)出低成本的48V電驅(qū)動橋成為可能。 電橋變速箱包含兩級行星齒輪。兩檔變速箱可以利用一檔實(shí)現(xiàn)車輛純電起步到20km/h。 除了用在頻繁起停的路況，純電行駛也可用于部分自動駕駛操作，如泊車；在二檔，助力和能量回收可以在很寬的車速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)不同的車型，電動巡航（車速恒定）可以最高達(dá)到約70km/h的速度。搭載一個電機(jī)和兩檔變速箱的舍弗勒48V電橋可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)15％的節(jié)油率采用更高功率的電機(jī)，如從12千瓦增加到18千瓦，可以預(yù)期獲得更高的制動功率和更好的能量回收率。 另外，通過改變電機(jī)的冷卻方式，從風(fēng)冷轉(zhuǎn)變?yōu)橛屠?，可以有效提高電機(jī)的額定功率。這些都是舍弗勒針對48V電橋下一步要研究的工作。 除此之外，結(jié)合扭矩矢量分配功能對輪胎滾動阻力的優(yōu)化也是進(jìn)一步研究的方向。
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