奔馳S級(jí)48V車載電氣系統(tǒng)(上)

◆文/福建 林宇清

林宇清(本刊編委會(huì)委員)

曾在福建奔馳汽車有限公司擔(dān)任經(jīng)銷商技術(shù)支持，，取得了奔馳廠家的最高等級(jí)技術(shù)資質(zhì)-診斷技師認(rèn)證(CDT)，并積累了眾多疑難故障案例和較為全面的診斷思路。目前就職于云度新能源汽車股份有限公司，擔(dān)任質(zhì)量改進(jìn)工程師。

一、概述

隨社會(huì)的發(fā)展和生活品質(zhì)的提高，人類對(duì)汽車的要求已經(jīng)不再滿 足于簡(jiǎn)單的出行，而是越發(fā)駕駛舒適性。梅賽德斯-奔馳在車輛乘員舒適性領(lǐng)域可謂是人之翹楚，近幾年通過快速座椅加熱器、扶手加熱、按摩座椅和電熱杯座等功能進(jìn)一步增強(qiáng)了舒適性，但舒適性功能越多，對(duì)電能的需求也隨之增加。為滿足該要求，48V車載電氣系統(tǒng)(圖1)應(yīng)運(yùn)而生，它是在傳統(tǒng)的12V車載電氣系統(tǒng)(圖2)基礎(chǔ)上進(jìn)行了延伸，采用48V車載電網(wǎng)蓄電池，車輛整體的可用電容量增加，其電壓比12V系統(tǒng)高四倍，滿足了高耗電要求的功能，并實(shí)現(xiàn)更高的行駛功率。

圖1 12V車載電氣系統(tǒng)

圖2 新的48V車載電氣系統(tǒng)

對(duì)于未來的梅賽德斯-奔馳車型，48V車載電氣系統(tǒng)將提供更高效的電能，從而成為減少油耗的主要途徑，同時(shí)用戶也可使用更多新的功能，48V電壓范圍如圖3所示。

圖3 48V電壓范圍

二、組成部件

48V車載電氣系統(tǒng)首先應(yīng)用在裝配M256發(fā)動(dòng)機(jī)的S級(jí)車型中，從開發(fā)此款發(fā)動(dòng)機(jī)開始就已將該系統(tǒng)考慮在內(nèi)，因此，可以省去皮帶傳動(dòng)，之前通過皮帶進(jìn)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)的所有用電設(shè)備可借助48V電氣系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)由不同的48V部件(圖4)和線路構(gòu)成，最新型的亮點(diǎn)部件是集成式啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)和48V車載電網(wǎng)蓄電池，以下對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，48V系統(tǒng)部件的位置如圖5所示。

圖4 48V系統(tǒng)組成部件

圖5 48V系統(tǒng)部件位置

1.集成式啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)(ISA)

M256發(fā)動(dòng)機(jī)采用了集成式啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)(ISA)的傳動(dòng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的12V發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)機(jī)替換為帶電力電子裝置的集成式啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)，電力電子控制單元位于傳統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)(不再安裝使用)的安裝位置處(圖6)，通過CAN總線通信，控制ISA的工作。ISA置于內(nèi)燃機(jī)和變速器之間，用螺栓剛性連接到曲軸上，兼具有啟動(dòng)和發(fā)電的功能，產(chǎn)生的能量供至單獨(dú)的48V車載電網(wǎng)蓄電池，此外，它還可使用來自48V車載電網(wǎng)蓄電池的能量生成扭矩以輔助內(nèi)燃機(jī)，產(chǎn)生最大16kW的輸出功率和220Nm的扭矩，ISA和48V車載電網(wǎng)蓄電池的高輸出功率可讓駕乘人員幾乎感知不到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

內(nèi)燃機(jī)與48V車載電氣系統(tǒng)的配合使用，不僅降低了燃油消耗，提高了系統(tǒng)性能，還新增了其他附加功能，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)保持智能氣候控制.此外，ISA減少了傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而增強(qiáng)舒適性。

2.直流/直流轉(zhuǎn)換器(N83/1)

48V車載電氣系統(tǒng)通過直流/直流轉(zhuǎn)換器控制單元連接至12V車載電氣系統(tǒng)，換言之，直流/直流轉(zhuǎn)換器是48V系統(tǒng)中能源管理的主控制單元，替代了傳統(tǒng)的12V發(fā)電機(jī)。通過直流/直流轉(zhuǎn)換器可使電能在兩個(gè)電壓等級(jí)之間轉(zhuǎn)換。在駕駛操作期間，N83/1將48V系統(tǒng)的電能提供給12V系統(tǒng)，即降壓模式，此模式還用來在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉階段，向12V蓄電池提供電能。N83/1通過LIN總線讀取48V車載電網(wǎng)蓄電池的數(shù)據(jù)，據(jù)此計(jì)算允許的電流和電壓限值，然后將這些數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送至傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元進(jìn)行評(píng)估，傳動(dòng)系統(tǒng)控制單元在電流和電壓限值或特定溫度充電特性的基礎(chǔ)上計(jì)算集成式啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳送至啟動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)控制單元為48V車載電網(wǎng)蓄電池提供最佳充電水平。

圖6 ISA位置

3.48V車載電網(wǎng)蓄電池(G1/3)

48V車載電網(wǎng)蓄電池位于后備箱(圖7)，與N83/1集成為一體，用于向48V車載電氣系統(tǒng)供電，例如實(shí)現(xiàn)充電、傳動(dòng)、加熱和制冷等功能，它由蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)、鋰電池離子(12個(gè))、散熱片、傳感器等元件構(gòu)成，傳感器監(jiān)測(cè)蓄電池電壓、電流和溫度等相關(guān)的內(nèi)部變量，測(cè)得的數(shù)值在蓄電池內(nèi)部由BMS進(jìn)行處理。此外，還通過48V車載電氣系統(tǒng)LIN總線與N83/1通信。48V蓄電池具備“平衡功能”，使各電池維持在相同的充電水平，該功能不僅用于保持蓄電池能量及其輸出方面的最佳性能，而且還能防止各電池過早老化，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

圖7 48V電源裝置

4.48V車載電氣系統(tǒng)熔絲盒

位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的48V熔絲盒(圖8)將48V電源的電能分配至各用電設(shè)備，如果出現(xiàn)故障，則必須更換整個(gè)部件，不得更換單獨(dú)的熔絲或打開熔絲盒。

圖8 F153/248V熔絲盒

5.電動(dòng)輔助壓縮機(jī)(M60/1)

當(dāng)駕駛員迅速要求較高動(dòng)力時(shí)，需要一定的時(shí)間才能建立最大的增壓壓力，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出全部動(dòng)力，該行為被稱為“渦輪遲滯”現(xiàn)象。為了在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)形成均勻的高增壓壓力，通過電動(dòng)輔助壓縮機(jī)(圖9)在較低轉(zhuǎn)速或部分負(fù)荷范圍內(nèi)生成足夠的增壓壓力，從而顯著減少渦輪延遲。電動(dòng)輔助壓縮機(jī)由最大輸出功率為5kW的電機(jī)構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)安裝在防磨擦軸承中的壓縮機(jī)軸，其在末端裝有14個(gè)葉片，即使在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，電動(dòng)輔助壓縮機(jī)也可提供高增壓壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷請(qǐng)求、工作狀態(tài)以及環(huán)境條件計(jì)算目標(biāo)增壓壓力，由于渦輪增壓器在低轉(zhuǎn)速范圍下無法生成目標(biāo)增壓壓力，因此，通過促動(dòng)電動(dòng)輔助壓縮機(jī)補(bǔ)償實(shí)際增壓壓力和目標(biāo)增壓壓力之間的壓差，并改善了靜止全負(fù)荷扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)的非靜止性能，從而不管發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)如何，都會(huì)保證空氣供給。

圖9 電動(dòng)輔助壓縮機(jī)

6.電動(dòng)制冷劑壓縮機(jī)(A9/5)

電動(dòng)制冷壓縮機(jī)(圖10)主要由集成式控制單元(A9/5n1)、電動(dòng)機(jī)(A9/5m1)和螺旋壓縮機(jī)組成?？照{(diào)控制單元(N22/1)通過LIN線促動(dòng)電動(dòng)制冷壓縮機(jī)，壓縮機(jī)控制單元據(jù)根據(jù)LIN信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和制冷劑的數(shù)量，然后電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋壓縮機(jī)，壓縮機(jī)由兩個(gè)相互纏繞的螺旋組成，其中一個(gè)與外殼永久連接，另一個(gè)在第一個(gè)螺旋內(nèi)的圓周內(nèi)旋轉(zhuǎn)。此外，電動(dòng)制冷壓縮機(jī)的速度可在700～9 000r/min的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

1.螺旋壓縮機(jī)；A9/5.電動(dòng)制冷劑壓縮機(jī)；A9/5m1.電動(dòng)機(jī)；A9/5n1.壓縮機(jī)控制單元。

7.電動(dòng)冷卻液泵(M75/11)

傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)冷卻液泵集成在皮帶驅(qū)動(dòng)裝置中，關(guān)鍵缺點(diǎn)在于冷卻液泵轉(zhuǎn)速直接與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相聯(lián)系。相比之下，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)冷卻液泵(圖11)的操作不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，冷卻輸出與冷卻要求匹配，這意味著可更快達(dá)到工作溫度并保持不變。電動(dòng)冷卻液泵采用離心泵設(shè)計(jì)，由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ME)通過LIN總線促動(dòng)，ME在綜合評(píng)估冷卻液溫度、加熱器請(qǐng)求、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等信號(hào)后，精確調(diào)節(jié)冷卻液泵的轉(zhuǎn)速.由于其較好的效率，電動(dòng)冷卻液泵還可節(jié)省燃油。電動(dòng)冷卻液泵的工作溫度在-40～150℃之間(最長(zhǎng)30min)，而冷卻液的溫度應(yīng)介于-10～125℃之間。當(dāng)冷卻液溫度低于75℃時(shí)，電動(dòng)冷卻液泵停用，除非接收到來自空調(diào)控制單元(N22/1)的冷卻液泵激活請(qǐng)求；當(dāng)冷卻液溫度冷達(dá)到120℃時(shí)，冷卻液泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果通信缺失，則會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的應(yīng)急運(yùn)行模式，確保在發(fā)生故障時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)充分冷卻。

圖11 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)冷卻液泵