用于横置式发动机的48 V-P2模块 ——从设计到应用

AVL与现代公司已在一项合作项目中将一种48 V-P2模块集成到一款搭载2.2 L柴油机和8档自动变速箱的SUV车上，此类驱动配置改善了车辆的动力行驶性能，降低了燃油耗，并能以纯电动状态实现行驶。

1 初始状况

为满足CO₂排放法规而实现进一步加严要求的先决条件是发动机改进措施与电气化相结合，该方面在推广48 V电气化结构过程中具有决定性的作用，其已提供了回收电能的潜力和有限的纯电动状态行驶能力，从而在比全混合动力方案成本明显更低的同时大幅降低了全球轻型汽车测试循环（WLTC）的燃油耗。

本文介绍了现代公司与AVL已在一项合作项目中将P2模块应用到一款SUV车上，其中一台Continental公司的48 V电机与曲轴进行平行布置（图1），该电机的最大功率为30 kW，其能以电机或发电机状态实现运行。这种配置除了在加速时通过电助力方式能显著提高驾驶乐趣之外，也提供了在市区内实现纯电动行驶的可能性，从而提供了降低实际行驶排放的可能性。

图1 配备P2混合动力模块的SUV车发动机

2 几何集成

采用48 V电气化技术的一个重要因素是需将其集成到现有汽车平台上。 与完全重新设计的纯电动车不同，在混合动力化的情况下往往需采取适应的方式，使部件相互之间实现匹配，并且与现有的动力总成系统和车辆设计彼此相协调，以便使集成所需的费用尽可能少。 在该方面48 V系统具有显著优势，其并无高电压安全性等方面的问题，因而使用起来更为简易。

为了使动力总成长度方面的变化尽可能小，目前已开发了一种与曲轴平行布置的P2方案，通过电机的偏位布置（如图1所示）将轴向长度降低到最低程度，其为配装到现有平台的先决条件。 为了减少集成到车辆结构的费用，已力争采用了一种别具匠心的方案。

为了将振动激励减小到最低程度，对飞轮的修改是必不可少的，而且动力总成的悬挂装置已针对动力总成质量的增加进行了匹配。 在这些前提条件下，已与现代汽车欧洲技术中心共同合作并成功地将这种P2混合动力模块集成到了Hyundai Santa Fe车型上。 明确的目标是现有的2.2 L柴油机（R-发动机）和8档自动变速箱连同变矩器以及汽车部件都能尽可能地不进行调整，其为最重要的前提。

3 P2模块结构

在设计P2模块时考虑到了差异较大的各类配置型式，通过形态学评价已考察并评估了所有可能的组合（例如通过链条、皮带或齿轮来连接电机，并考虑到了离合器位置、湿式或干式离合器、执行器、零部件润滑、周围零部件的匹配等方面因素）以及损失，最终作为目标导向方案得到了一种可被集成在齿轮传动系统中的模块（图2），其采用湿式离合器、电液式执行器和干式运转的双质量飞轮。对轴承和离合器的机油供应给予了特别关注，开发的目标是确保足够的机油供应同时不会增加拍打飞溅损失，因此配备了一个外部机油泵和一个外部储油罐。一种无需操纵的封闭式离合器可适用于所选择的运行策略。在现有的内燃机与变速箱的结构空间中成功地使两者间隙增加80 mm就能使该部分空间成为P2模块的安装位置，但是部件的调整能有效改善集成效果，从而进一步降低对结构空间的需求。

图2 P2混合动力模块结构和执行器

4 基础发动机和变速箱的变化 

该项目的目标是使传统动力总成系统的变化尽可能少，以此才能低成本地集成到现有的平台上，因此始终要注意到48 V模块是一种即插即用的解决方案。 集成到现有的可用结构空间中应不改变邻近的零部件，并能接受标准的变速箱。 内燃机的技术调整大多是由于优化废气排放措施而导致的，相关文献中已有详细介绍。 目前的一个明显的技术变化是对飞轮的调整，因为此类变化是必不可少的。

5 设计和振动特性

由于接入了双质量阻尼器和P2模块而使动力总成系统发生了变化，特别是对扭转弹性系统的惯量和刚度的变化以及附加的自由度和混合动力运行模块而言，有必要对其扭转振动特性进行详尽检验，其均已通过了混合动力总成系统的1D多体模拟，以此检验全新的临界振动方式和振幅，并对系统进行必要的调整，在此之前已对固有振动方式开展了检验（图3和图4）。

图3 扭转弹性动力总成系统图示

图4 混合动力总成系统的固有模式分析结果

从传统的动力系统出发，在内燃机与带有变矩器和扭转振动减震器的8档自动变速箱之间，除了P2模块之外还插入了一个双质量飞轮（ZMS），这就使P2模块的后续部件不会受到内燃机扭转振动的影响，避免带入分离离合器和变速箱的中、高扭矩峰值，并预防可能存在的临界振动激励现象。双质量飞轮已针对全新的要求和已改变的接口进行了调整，并与所继承的扭转振动减震器以及整个扭转弹性系统的相互协调配合中得到了验证。

动力总成在系统层面上的模型化包括质量、刚度和阻尼以及离合器和变速箱档位，从内燃机直至汽车车轮，并充分考虑到了内燃机的振动激励现象，其允许对临界运行状态的振动特性进行模拟，验证系统的正确性并使部件要求具体化，例如使减震器分离离合器或至电机变速级的要求具体化。此外，这种扭转模拟能推断出预期运行策略可能受到的限制，例如对内燃机低转速时扭矩的限制（图5）。12 V起动机的起动特性处于正常运作的范围内（图6）。

图5 全负荷加速模拟及其ZMS初级和次级质量、扭转减震器的扭转角（左）以及P2部件的扭矩负荷（右）

图6 内燃机用12 V起动机起动

因电机的高转速最高可达18 000 r/min，至电机的齿轮级在总体布置上已针对振动-噪声-平顺性（NVH）进行了优化，并放弃了通过控制电机动态阻尼以调整内燃机的扭转振动，因为由此会产生调节方面的额外费用并引起效率损失。

6 用和不用12V起动机起动

鉴于系统优化和成本，取消传统的12 V起动机是一项重要调整。关键点在于冷起动扭矩或内燃机的初始扭矩以及在低温下的起动持续时间。正是出于相关方面的要求，电机已由Continental公司设计成高功率机型，并具备70 N·m的高扭矩，通过所选择的传动比和电机的扭矩特性在所指定的应用场合的要求均可得以实现（图7和表1）。鉴于在用于离合器液压传动机构的机油泵功率模块中选择了一种无需操纵的封闭式离合器。混合动力策略、起动次数和时间次序以及环境和部件温度对于取消传统12 V起动机的可能性起着决定性作用。基本上，蓄电池即使在低温下也应提供足够的功率而不会过于强烈地缩短所有寿命。为了在从纯电动行驶状态切换后能使内燃机得以重新起动，必须具有足够的电功率，并且混合动力策略应不会对行驶舒适性产生负面影响。出于该原因以及基于柴油机较高的摩擦力矩，起动机作为替代方案暂时保留在该车型上，但是目前已明确在后续开发进程中仍会取消起动机。

图7 P2模块

表1 P2模块和电机的特性数据和设计

          项目

参数

电机最高转速/（r·min^-1）

18 000

电机最大扭矩/（N·m）

70

电机最大功率/kW

30（可持续 5 s）

电机传动比

3.5

离合器类型

湿式离合器

执行器类型

电液式

减震器类型

双质量飞轮（干式空间）

7 展望

开发项目的重点是尽可能少地改动车辆、发动机和变速箱，同时将48 V-P2模块集成到Hyundai Santa Fe汽车的柴油机动力总成系统中。在采用了可用于飞轮和离合器的部件的情况下，其作为独一无二的方案并得以成功配装的动力总成系统，仅加长了80 mm。

示范性车辆的主要目的是展示出柴油机通过电气化调整以降低废气排放的潜力。在项目开发的进程中该方案已显示出进一步的潜力，这些潜力还需根据应用和修改程度的不同来实现。一个基本点是减小轴向位置的需求，在该方面通过部件和功能的不断集成就能进一步降低对安装位置的需求。离合器能提供较大的技术潜力，如果其能更深入地集成到双质量飞轮之中的话，那么还能进一步缩短长度。当然，通过更高集成度的双质量减震器已能在机油中运转，在该方面结构空间与效率之间的最佳平衡根据应用场合的不同会有所差异。同样也需将机油循环回路和离合器传动机构进一步集成到变速箱中，以分步实现相关功能。

【奥地利】G.FUCKAR等

【翻译】范明强

【编辑】伍赛特