Audi新世代混合動力：MHEV plus
Written by: Bear
憑藉基於PPC平台(Premium Platform Combustion)的新A5、Q5，以及A6 Avant系列，Audi推出了其首款採用全新MHEV plus技術的內燃動力系統。憑藉動力總成輔助馬達(PTG)、皮帶交流發電動馬達起動器(BAS)，以及磷酸鐵鋰電池之間的獨特相互作用，此48伏輕度混合動力系統支援內燃機，減少碳排放，同時能比過去的48V系統更多地提高性能和敏捷性。其PTG可以完全耦合或解耦，具有集成電力電子設備和永磁同步電動馬達，可實現部分純電驅動行駛，並且可執行電動增壓衝刺加速，不僅減少了消耗，並帶來了更順暢的駕駛體驗。
MHEV plus系統的架構可以集成到各種車型中，包括基於Premium Platform Combustion(PPC)的前輪驅動和quattro全輪傳動系統。電力電子元件和電動馬達的特定情況液體冷卻使元件能夠在最佳運行條件下運行，以滿足所有運行狀態下的馬力和扭力需求。此外，與過去的輕度油電混合動力系統不同，新的MHEV plus技術可實現純電動運行狀態，也可以支援內燃機。因此，該系統提高了性能和敏捷性，同時還降低了更多燃料消耗和CO2排放。
例如：前驅/四缸，150 kW(204 PS)的A5 2.0 TDI綜合油耗(L/100 km)為5.7-4.8；綜合CO2排放量(g/km)為150–125，最多可節省10 g/km與0.38 L/100 km(WLTP)。而配備V6引擎/Quattro，270 kW(367 PS)的3.0 TFSI綜合油耗(L/100 km)為8.0–7.4；綜合CO2排放(g/km)為182–169，最多可節省17 g/km與0.74 L/100 km(WLTP)。
動力總成輔助馬達作為額外的強大驅動模組
另一個主要優勢是MHEV plus系統提高了性能和駕駛舒適性。新型MHEV plus系統中緊湊而強大的電力驅動模組是動力總成輔助馬達(PTG)。該元件也代表了與Audi之前MHEV技術的最大區別，後者僅與皮帶交流發電動馬達起動器配合使用。
而PTG安裝在一個緊湊的單元中，重約21公斤，輸出軸每分鐘最多可達5,550轉。其集成電力電子元件直接安裝在變速箱的輸出軸上，可為驅動系統提供高達18 kW(24 PS)的動力。並且能在變速箱輸出端實現230 Nm的最大扭力，該扭力在車輛起步時就作為驅動扭力提供，而PTG的緊湊型變速箱以3.6：1的傳動比運行。MHEV plus利用PTG的速度區間從零就開始，最高速度可達140 km/h(根據車輛和驅動方式的不同介於130~140 km/h)，以實現最高效率。在較高的車速下，PTG透過集成的犬式離合器與傳動系統分離。
透過對周圍零部件進行最少的修改，創造了所需的空間，以便在現有車身中央隧道內的變速箱輸出處集成電動馬達。直接安裝在變速箱後面具有幾個優勢：由PTG提供的18 kW驅動力或高達25 kW的再生制動功率可直接在車軸輸出處提供，而不會造成任何進一步的損失。也由於這種配置，PTG可以用於前輪驅動和全輪驅動車輛，無需任何修改，就能以模組化方式搭載。
為了滿足系統的高舒適度要求，必須確保對電動馬達的扭力、電流和速度進行精確控制。工作溫度範圍從零下40攝氏度到零上75攝氏度。水套圍繞著電動馬達，還可以冷卻冷卻液迴路中緊湊且高度集成的電力電子設備，該迴路直接安裝在電動馬達上以節省空間。高性能馬力模組佈置在電力電子設備內的散熱器周圍。中間電路電容器以節省空間和散熱最佳的方式被散熱器包圍著。
以客戶需求為中心進行開發
Audi開發MHEV plus技術，著眼於預期的客戶需求。配備第一代啟停或輕度混合動力的傳統傳動系統依賴於關鍵的效率元件，例如：車輛處於靜止狀態時的引擎停止、滑行、引擎關閉時的續滑，以及12伏或48伏能量回收。採用新技術則提高電氣化程度的主要優勢包括增強啟停作業的便利性、零排放行駛、能量回收、部分電動駕駛，例如：用於電動停車和滑行，以及對內燃機提供支援而提高性能。
這使得車輛可以純電動駕駛，讓內燃機關閉的時間更長，例如：在城市中緩慢行駛時，或者在城外道路上交通緩慢時，或者接近下一個城鎮時。此外，由於PTG即使在低速時也能提供高達230 Nm的驅動扭力，因此車輛的起步加速反應得到了顯著提高，這意味著敏捷性明顯提高，尤其是在起步的最初幾米。
當速度在0到最大140 km/h之間時，PTG可以支援內燃機，提供高達18 kW的額外輸出，使內燃機能夠盡可能高效地運行。在此速度範圍內，PTG可以透過再生制動回收高達25 kW的能量，直到車輛停止前不久。集成的混合制動控制系統可確保無液壓制動和最佳再生制動，也就是通常的狀況下，無需使用摩擦式液壓制動系統。得益於電動空調壓縮機，MHEV plus還可以使空調系統即使在內燃機關閉時(例如：在等紅燈時)也能連續運行。
理想的組合：BAS、iBRS和首度使用LFP鋰離子電池
作為MHEV plus技術的一部分，皮帶交流發電動馬達起動器(BAS)的任務是啟動引擎並向電池輸送電能。皮帶傳動比小齒輪起動器具有聲學優勢，並為內燃機實現了更高的啟動速度。這導致了更好的油耗和更高的啟動舒適度。皮帶式交流發電動馬達起動器還可以在引擎關閉時回收引擎的能量，並將汽缸置於重新啟動的最佳位置。
由磷酸鐵鋰(LFP)製成的鋰離子電池的存儲容量為37安培小時(Ah)，相當於略低於1.7 kWh(總容量)。其最大放電功率為24 kW。由於對可用性、馬力和扭力的要求，電池被集成到低溫水冷迴路中，以確保25至60攝氏度範圍內的最佳條件。這是Audi首次在其輕度混合動力系統中使用LFP電池。
iBRS集成制動控制系統(Integrated brake control system)在能量回收中發揮著重要作用。在採用MHEV plus技術的車型中，iBRS確保無須啟動液壓制動，並透過再生制動實現必要的減速，也就是無需使用摩擦式制動系統，而僅在特別用力地踩下制動踏板時才會啟用，並且對制動回饋感覺沒有影響。
成熟的MHEV plus運營策略
在混合動力系統中，經驗法則是充電50%到60%的電池工作效率最高，因為它可以向電動馬達提供大電流，並在能量回收期間存儲高充電電流。混合動力系統的重點不在於電動續航里程，而在於快速循環地對電池進行放電和充電。這樣可以回收盡可能多的能量，並快速有效地重新用於驅動系統。
借助MHEV plus技術，控制軟體可以評估車輛的運行狀態，以實現內燃機、PTG和BAS之間的最佳交互。為此，存儲了兩個電動馬達的最佳使用特性值和推進或能量回收所需的扭力水準。電池充電狀態也被考慮在內，目標是穩定運行，控制系統能根據情況獲得不同的結果。這是因為附加電驅動的運行策略針對每台內燃機進行了優化。結果是在不影響駕駛動態的情況下實現盡可能低的油耗。
運作策略考慮了所選的傳輸模式和加速踏板的調製。例如：在駕駛模式D下，最大18 kW的全部額外電力僅由PTG動力總成輔助馬達從大約80%的油門踏板或降檔時才開始施加。在駕駛模式S下，18 kW的額外馬力在較低輕微的油門踩踏就會執行。D模式的PTG從85 km/h開始解耦，以防止在高速公路和城市範圍以外的道路上使用內燃機以恆定速度行駛時，PTG電動馬達出現電氣損耗。然而，在S中，PTG保持耦合，直到其最大允許的轉速5,550 rpm(也同步於引擎轉速)，以便隨時實現敏捷的加速反應。
對於駕駛模式D和S，運作策略尤其在48伏電池的目標SoC(充電狀態)方面有所不同。在D中，平均50%到55%的SoC提供了最佳平衡，即有足夠的能量可用於內燃機的電力支援，直到部分電力驅動。該SoC還足以存儲來自紅綠燈或進入城鎮時溫和而漫長制動階段的大量回收能量。在S檔位中，更高的目標SoC約為 70%，可確保為內燃機的電動輔助支援提供更多的可用能量，以實現更具運動感的駕駛。運動化駕駛涉及更短、更激烈的制動階段，這意味著回收的能量較少。
配備MHEV plus的車型也可以純電動運行，例如：當車輛接近城鎮時，然後可以在PTG的幫助下保持其速度。如果駕駛員或自適應巡航控制(ACC)所需的馬力超過一定值，內燃機就會啟動並接管推進。啟動閾值取決於48伏電池的當前SoC和車輛的速度。
如果當前SoC低於目標值，則內燃機會更快地啟動。一方面，這是為了避免在電動驅動時消耗額外的能量，從而進一步降低SoC。另一方面，內燃機可以根據需要透過與BAS和PTG一起增加功率來再次為電池充電。這不適用於純電驅動行駛，即在緩慢行駛的交通中前進或停車，這些都可以保持在顯著較低的充電狀態。
如果當前SoC高於目標值，則內燃機會稍後啟動，此時對功率的需求略高。這樣，48伏電池會向目標SoC放電，以便它可以在未來的能量回收階段累積足夠的能量。隨著車速的增加，向內燃機請求動力的閾值會降低。簡單來說，這意味著速度越高，內燃機為汽車提供動力的動力就越大。結合以上，動力總成的效率提高顯著提高了車輛的整體續航里程。這使得配備MHEV plus技術的車輛更適合長途旅行，並使這些旅程更加舒適。
由於客戶需求不同，此技術將不會在美國市場提供。