论文部分内容阅读
随着汽车越来越趋向于采用电气化、大功率和更高的电路电压，电动增压有了新的发展动向。鉴于电动增压器的发展条件和要求，博格华纳公司已改进了其电动增压器。需要改进的因素除了性能和可靠性之外，还包括电功率和噪声特性。为了满足当前和未来发动机方案的高要求，博格华纳已对整个电动增压器装置进行了优化。电气化;电动增压器;电功率;噪声
0 前言
根据排放法规和降低汽车燃油耗的要求，部分汽车企业开始开发具有更高效率和更清洁的发动机。为提供良好的驾驶体验，要求发动机通过小型化和低速化以降低燃油耗，同时改善低转速范围的扭矩和加速响应性能。
为了能满足对燃油耗和功率的高要求，制造商采用了不同的动力总成电气化方案。与传统的12 V汽车电路相比，电压更高的48 V系统在效率方面能获得很大的提升，例如电动增压能在低转速范围获得更大的扭矩，并且无涡轮空穴现象，因此能获得良好的加速响应性能。
随着电压数值的不断升高，系统电气化的不断发展，以及电动机技术、电子技术和微处理器容量的进一步优化，使得电动增压系统的应用日益广泛。目前，在48 V电压下，紧凑的电动机同样能实现10 kW的功率等级。博格华纳公司的eBooster电动增压器即使在发动机低负荷情况下也能高效地工作，如两级涡轮增压器系统一样可以覆盖涡轮增压器全负荷运行范围，这样就能达到更快的增压压力响应，并高效地产生增压压力。由于电动增压无需涡轮增压器，因此更利于其在高负荷工况下的运行，同时使得排气歧管中的废气背压更低，以此获得更高的功率和更低的燃油耗。
1 第2代电动增压器产品
2017年，博格华纳投产的第1代48 V-eBooster电动增压器已在2020年初被第2代产品替代，提高总效率和使用2.5 kW电功率持续运行的可能性是研究人员开发的重要目标。第1代产品容许每分钟以最大5 kW的电功率动态运行约20 s。
在这方面，博格华纳已使用永磁式同步电动机（PMSM），它在加速期间需要的能量比磁阻电动机少。除此之外，永磁式同步电动机的特点是噪声水平非常低，同时加速响应时间短，并具有较高的效率和扭矩密度。为了保持这些优点，博格华纳仍保留了永磁式同步电动机方案。与第1代产品相比，第2代电动增压器降低了转子和压气机的转动惯量，以便能进一步降低功率消耗，并更快地加速。表1列出了第1代和第2代电动增压器的比较。图1示出了第1代和第2代eBooseer电动增压器的横剖视图。
第2代电动增压器实现了进一步改进，如可靠的转子可用于更高的转速，减小惯性可减少能量消耗，将定子与功率电子器件联结在一起能减少电阻，并提升效率。此外，第2代电动增压器的特点是新开发的电磁兼容（EMV）滤波器具有更低的功率损失和更高的滤波效率，微处理器具有更强的计算能力用于磁场导向调节（FOC）和以模型为基础的软件零部件保护过程中，从而使系统持续运行。图1示出了第1代和第2代eBooster电动增压器的横剖视图比较。显然，相似的设计同样也具有许多细节变化。
2 正弦换相和阻塞换相
新的eBooster电动增压器应用正弦换相替换第1代所用的阻塞换相。频率和振幅可变的三相换相是由直流电压永磁式同步电动机驱动过程所产生的，而用于功率级的3个半电桥开关信号是由无传感器的FOC产生的。
在阻塞换相的情况下，每个相的电流得以快速变化，而在正弦换相时的软转换引起的电流波动较小，电动机中的涡流损失较小，并且能获得较高的峰值功率和eBooster电动增压器的持续运行。表2归纳了2种控制方式最重要的特点。
相电流被FOC分成由磁场产生的电流（id）和由扭矩产生的电流（iq）2个矢量，这就使得永磁式同步电动机能在弱磁场范围内运行，这在电压非常低的运行工况点或在扭矩需求降低的高转速情况下是较为有利的。
新机型的主要特点是在28 kHz脉宽调制（PWM）情况下，采用比例积分（PI）调节器的40 μs循环时间，以此实现较快的电流和转速调节。所有三相的电流测量借助于以模型为基础并应用于硬件和软件的零部件保护，以及持续增压的过电流保护。
图2对FOC的优点进行比较，从中可以看出电动机功率和扭矩与电动机转速的关系。电压为42 V，这是48 V系统在蓄电池负荷和所测量的充电状况下的典型电压。新的EMV滤波器能更高效地供应直流电，从而能获得更高的功率，甚至能在高转速、低电压及较短的运行时间内使功率提高55%，并可产生弱磁场的效果。
3 软件零部件保护
为了保护零部件，研究人员在印刷电路板上设置了3个热敏电阻温度传感器。这些传感器不仅能用于测量冷却液的温度， 而且还可测量印刷电路板上的控制和功率电子器件的温度。研究人员通过基于传感器测量的模型查明临界温度，由此推导出了零部件保护策略，该策略可根据临界范围内容许的最高温度以智能化地降低功率。甚至在使用条件较为恶劣的情況下，这种温度模型能使eBooster电动增压器的零部件避免过高的热负荷。这些计算得到的温度按百分比被划分成范围，并被综合成负荷指标，最高温度决定了这种指标的百分比，汽车电控单元通过控制器局域网络（CAN）总线接口能传递过热报警和温度警告，从而进行温度管理。
4 最佳电磁兼容滤波器
研究人员考虑到两代eBooster电动增压器的技术特点，在主印刷电路板与直流电源之间使用了EMV滤波器，但是仍有必要进行改进，以便同时满足更高功率和更低成本的目标要求。同时，研究人员已优化了节流效果，以便按照全新的设计方案以相同的节拍和不同的模式发挥滤波器的作用。
第2代电动增压器将不同和相同节拍的节流方式组合在1个零件中，在铁氧体磁芯设计情况下铁氧体外环被用作共模阻抗，而簧片与预先确定的空气隙和外环一起被用作推挽阻抗。
这种设计的主要优点是因母线中的电流密度小且直流损失较少，而且能通过磁芯设计来影响不同的模式，并且磁通量主要保留在磁芯中。
5 商用车用途
eBooster电动增压器不仅适用于轿车发动机，而且也适用于排量为5 L的商用车发动机，它能使小排量发动机替代排量大出50%～60%的发动机，同时不会降低功率和扭矩，而且仍能保持原有的加速响应性能，甚至还会在一定程度上有所改善。图3示出了发动机在发动机试验台上稳态运行试验结果的比较。
非公路用的中等尺寸发动机通常应用于稳态全负荷及非瞬态等不同应用场合。eBooster电动增压器通过接通在发动机最佳运行工况点的行程，以改善低转速范围内的经济性。
6 结语
博格华纳公司的eBooster电动增压器是对传统涡轮增压器的补充，能使发动机实现小型化和低速化，并能降低发动机燃油耗。在48 V汽车电路中能产生高
达7 kW的电功率，并能转换泵吸功率。通过改善控制就能以2.5 kW持续运行，并且在低转速范围内也能获得良好的扭矩特性。研究人员开发的最重要目标是改善功率电子器件、电动机和压气机的效率，从而得到了较高的总效率，这有助于减轻汽车上电系统的负荷，并改善电磁兼容性和噪声特性。eBooster电动增压器也可用于提高发动机低转速时的增压压力，使加速响应的时间少于190 ms，同时获得出色的加速响应性能。该类增压器可用于轿车和商用车上。
0 前言
根据排放法规和降低汽车燃油耗的要求，部分汽车企业开始开发具有更高效率和更清洁的发动机。为提供良好的驾驶体验，要求发动机通过小型化和低速化以降低燃油耗，同时改善低转速范围的扭矩和加速响应性能。
为了能满足对燃油耗和功率的高要求，制造商采用了不同的动力总成电气化方案。与传统的12 V汽车电路相比，电压更高的48 V系统在效率方面能获得很大的提升，例如电动增压能在低转速范围获得更大的扭矩，并且无涡轮空穴现象，因此能获得良好的加速响应性能。
随着电压数值的不断升高，系统电气化的不断发展，以及电动机技术、电子技术和微处理器容量的进一步优化，使得电动增压系统的应用日益广泛。目前，在48 V电压下，紧凑的电动机同样能实现10 kW的功率等级。博格华纳公司的eBooster电动增压器即使在发动机低负荷情况下也能高效地工作，如两级涡轮增压器系统一样可以覆盖涡轮增压器全负荷运行范围，这样就能达到更快的增压压力响应，并高效地产生增压压力。由于电动增压无需涡轮增压器，因此更利于其在高负荷工况下的运行，同时使得排气歧管中的废气背压更低，以此获得更高的功率和更低的燃油耗。
1 第2代电动增压器产品
2017年，博格华纳投产的第1代48 V-eBooster电动增压器已在2020年初被第2代产品替代，提高总效率和使用2.5 kW电功率持续运行的可能性是研究人员开发的重要目标。第1代产品容许每分钟以最大5 kW的电功率动态运行约20 s。
在这方面，博格华纳已使用永磁式同步电动机（PMSM），它在加速期间需要的能量比磁阻电动机少。除此之外，永磁式同步电动机的特点是噪声水平非常低，同时加速响应时间短，并具有较高的效率和扭矩密度。为了保持这些优点，博格华纳仍保留了永磁式同步电动机方案。与第1代产品相比，第2代电动增压器降低了转子和压气机的转动惯量，以便能进一步降低功率消耗，并更快地加速。表1列出了第1代和第2代电动增压器的比较。图1示出了第1代和第2代eBooseer电动增压器的横剖视图。
第2代电动增压器实现了进一步改进，如可靠的转子可用于更高的转速，减小惯性可减少能量消耗，将定子与功率电子器件联结在一起能减少电阻，并提升效率。此外，第2代电动增压器的特点是新开发的电磁兼容（EMV）滤波器具有更低的功率损失和更高的滤波效率，微处理器具有更强的计算能力用于磁场导向调节（FOC）和以模型为基础的软件零部件保护过程中，从而使系统持续运行。图1示出了第1代和第2代eBooster电动增压器的横剖视图比较。显然，相似的设计同样也具有许多细节变化。
2 正弦换相和阻塞换相
新的eBooster电动增压器应用正弦换相替换第1代所用的阻塞换相。频率和振幅可变的三相换相是由直流电压永磁式同步电动机驱动过程所产生的，而用于功率级的3个半电桥开关信号是由无传感器的FOC产生的。
在阻塞换相的情况下，每个相的电流得以快速变化，而在正弦换相时的软转换引起的电流波动较小，电动机中的涡流损失较小，并且能获得较高的峰值功率和eBooster电动增压器的持续运行。表2归纳了2种控制方式最重要的特点。
相电流被FOC分成由磁场产生的电流（id）和由扭矩产生的电流（iq）2个矢量，这就使得永磁式同步电动机能在弱磁场范围内运行，这在电压非常低的运行工况点或在扭矩需求降低的高转速情况下是较为有利的。
新机型的主要特点是在28 kHz脉宽调制（PWM）情况下，采用比例积分（PI）调节器的40 μs循环时间，以此实现较快的电流和转速调节。所有三相的电流测量借助于以模型为基础并应用于硬件和软件的零部件保护，以及持续增压的过电流保护。
图2对FOC的优点进行比较，从中可以看出电动机功率和扭矩与电动机转速的关系。电压为42 V，这是48 V系统在蓄电池负荷和所测量的充电状况下的典型电压。新的EMV滤波器能更高效地供应直流电，从而能获得更高的功率，甚至能在高转速、低电压及较短的运行时间内使功率提高55%，并可产生弱磁场的效果。
3 软件零部件保护
为了保护零部件，研究人员在印刷电路板上设置了3个热敏电阻温度传感器。这些传感器不仅能用于测量冷却液的温度， 而且还可测量印刷电路板上的控制和功率电子器件的温度。研究人员通过基于传感器测量的模型查明临界温度，由此推导出了零部件保护策略，该策略可根据临界范围内容许的最高温度以智能化地降低功率。甚至在使用条件较为恶劣的情況下，这种温度模型能使eBooster电动增压器的零部件避免过高的热负荷。这些计算得到的温度按百分比被划分成范围，并被综合成负荷指标，最高温度决定了这种指标的百分比，汽车电控单元通过控制器局域网络（CAN）总线接口能传递过热报警和温度警告，从而进行温度管理。
4 最佳电磁兼容滤波器
研究人员考虑到两代eBooster电动增压器的技术特点，在主印刷电路板与直流电源之间使用了EMV滤波器，但是仍有必要进行改进，以便同时满足更高功率和更低成本的目标要求。同时，研究人员已优化了节流效果，以便按照全新的设计方案以相同的节拍和不同的模式发挥滤波器的作用。
第2代电动增压器将不同和相同节拍的节流方式组合在1个零件中，在铁氧体磁芯设计情况下铁氧体外环被用作共模阻抗，而簧片与预先确定的空气隙和外环一起被用作推挽阻抗。
这种设计的主要优点是因母线中的电流密度小且直流损失较少，而且能通过磁芯设计来影响不同的模式，并且磁通量主要保留在磁芯中。
5 商用车用途
eBooster电动增压器不仅适用于轿车发动机，而且也适用于排量为5 L的商用车发动机，它能使小排量发动机替代排量大出50%～60%的发动机，同时不会降低功率和扭矩，而且仍能保持原有的加速响应性能，甚至还会在一定程度上有所改善。图3示出了发动机在发动机试验台上稳态运行试验结果的比较。
非公路用的中等尺寸发动机通常应用于稳态全负荷及非瞬态等不同应用场合。eBooster电动增压器通过接通在发动机最佳运行工况点的行程，以改善低转速范围内的经济性。
6 结语
博格华纳公司的eBooster电动增压器是对传统涡轮增压器的补充，能使发动机实现小型化和低速化，并能降低发动机燃油耗。在48 V汽车电路中能产生高
达7 kW的电功率，并能转换泵吸功率。通过改善控制就能以2.5 kW持续运行，并且在低转速范围内也能获得良好的扭矩特性。研究人员开发的最重要目标是改善功率电子器件、电动机和压气机的效率，从而得到了较高的总效率，这有助于减轻汽车上电系统的负荷，并改善电磁兼容性和噪声特性。eBooster电动增压器也可用于提高发动机低转速时的增压压力，使加速响应的时间少于190 ms，同时获得出色的加速响应性能。该类增压器可用于轿车和商用车上。