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——

　　1

　　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,。   高功率的電機加上一個小型化的內(nèi)燃機能實現(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、兩級行星齒輪以及一個電子機械式換檔機構(gòu),。電機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,。搭載一個電機和兩檔變速箱的舍弗勒48V電橋可以實現(xiàn)高達(dá)15％的節(jié)油率。

　　2

　　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10-12千瓦的電機可以實現(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)可以實現(xiàn)超過60%的制動能量回收,。雖然高壓混動系統(tǒng)可以實現(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（BSG）和集成式起動發(fā)電機（ISG）相比,，由于沒有發(fā)動機拖曳扭矩的影響，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)動機起停和負(fù)荷點轉(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：

　　四輪驅(qū)動功能

　　作為擴展系統(tǒng),，與傳統(tǒng)動力總成可兼容

　　可實現(xiàn)低速純電行駛

　　通過兩檔變速箱可實現(xiàn)高速下的電動巡航

　　通過發(fā)動機解耦可顯著降低發(fā)動機摩擦與拖曳損失

　　更好的燃油經(jīng)濟性

　　發(fā)動機拖曳扭矩在燃油經(jīng)濟性中起到了至關(guān)重要的左右。圖3展示了針對三種不同車輛級別與發(fā)動機在NEDC循環(huán)中發(fā)動機拖曳扭矩消耗能量,、制動能量與回收能量的比較（采用12千瓦BSG電機）,。   以上可以看出，在NEDC循環(huán)中發(fā)動機拖曳扭矩消耗的能量遠(yuǎn)大于回收能量,。通過發(fā)動機解耦可以減少拖曳扭矩,，從而實現(xiàn)更好的燃油經(jīng)濟性。

　　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：

　　采用一檔的大速比可以實現(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

　　更低的電機運行轉(zhuǎn)速,，更好的NVH

　　電機可小型化

　　更大的高效區(qū)域和更高的綜合運行效率,，可采用更小的電池容量或者提高純電續(xù)航里程

　　3

　　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,，仍然需要12V起動電機,。   另外，傳統(tǒng)動力總成和電橋分別驅(qū)動前,、后橋,，實現(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,，兩級行星齒輪以及連接齒輪和萬向軸的電子機械式換檔機構(gòu),。電機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電橋樣機分別由兩個主機廠進(jìn)行了臺架以及樣車測試,，如下：

　　測試的重點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電橋樣品的電機來自于BSG電機,，電機的定轉(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,。

　　4

　　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?；谀K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,。搭載一個電機和兩檔變速箱的舍弗勒48V電橋可以實現(xiàn)高達(dá)15％的節(jié)油率采用更高功率的電機,，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,，通過改變電機的冷卻方式，從風(fēng)冷轉(zhuǎn)變?yōu)橛屠?，可以有效提高電機的額定功率,。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,。

更多信息可以來這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<