博格华纳：展示当下和未来内燃机、混动和纯电动需求的热管理、减排及驱动技术

本刊记者 肖献法 文

作为内燃机、混合动力、电动汽车3大清洁高效驱动系统解决方案的全球技术领导者，博格华纳于2020年北京车展期间展示了一系列先进技术和产品组合，包括：(1)燃油(气)动力/混动动力(HEV)的内燃机冷却解决方案(含电子风扇)、内燃机的可变凸轮正时·中间位置锁止(VCT)技术、混合动力的内燃机EGR(废气再循环)技术、混合动力的内燃机全新涡轮增压技术、面向未来内燃机的高效涡轮增压器、混合动力的48 V驱动技术、混合动力的P2混动驱动模块，以及纯电驱动或混动的集成式电驱动模块(iDM)、电动汽车的创新型扭矩矢量双离合器系统、适用于SUV/皮卡的电机式智能分动器、应用于车厢/动力电池及燃料电池的加热器。这些产品和技术，可以全面应对当下和未来任何动力驱动汽车在节能、减排、驱动效率等方面的有效提升。下面，仅重点介绍一下博格华纳此次展示的用于内燃机或混动内燃机的节能、减排及驱动技术。

1.实现国Ⅵ排放标准的商用车冷却解决方案

中国汽车市场自2019年7月1日开始进入国Ⅵ时代(仅个别城市提前)，至2023年7月1日新车销售全部要达到国Ⅵ排放标准，其中商用车面临的技术与成本压力较大。博格华纳为商用车满足国Ⅵ标准可提供有效的冷却解决方案。其核心部件之一 ——博格华纳Vistronic@系列冷却风扇离合器结合了博格华纳成熟的粘性流体技术与精准的电子控制策略。

图1 博格华纳展台

图2 博格华纳的Vistronic@系列风扇离合器

图3 博格华纳为某全球知名汽车制造商提供的面向不同发动机尺寸的一体化EGR解决方案

Vistronic@系列风扇离合器由发动机控制模块精准调控转速(通过发动机ECU传输PWM信号实现控制，闭环控制与电控环境兼容)，在提供更强劲散热能力的同时改善了燃油经济性，减少了无用功消耗。具体而言，一是改善效率：风扇会在有需要时以合适的转速转动，油耗及功率损耗可降低约6%～10%；二是免维修：自有模块化整体更换，无需额外维修；三是更加精准的温控策略：为延长发动机及零件寿命提供可能；四是采用高速储油腔和独有液体分布设计。

另据博格华纳介绍，Vistronic@系列风扇离合器覆盖711～813 mm的风扇直径，可用于在轻、中、重型商用车(道路与非道路)。在连接上，可以曲轴直连，也可选择螺纹轴与法兰轴连接方案，并可选择正转或反转设计。

2.应用于混合动力汽车的内燃机EGR技术

混合动力汽车是新能源汽车的重要技术路线之一，其中内燃机动力需要同步满足国家最新排放法规的要求，如当下的国Ⅵ排放标准。通过采用先进的废气再循环(EGR)系统，可以有效满足国Ⅵ排放标准。博格华纳提供的废气再循环(EGR)系统，即可助力汽车厂商减少NOx排放，满足欧Ⅵd、国Ⅵ等排放法规要求。

据介绍，博格华纳EGR系统是一种经济高效的发动机内部解决方案，通过将可控比例的废气再循环至进气管，从而显著降低NOx排放。该系统通过优化热吸收，降低燃烧室内的氧气浓度，从而减低气缸温度峰值，以达到减少氮氧化物排放的目的。凭借高热负荷耐受力，这一先进解决方案即使在冷却剂流量极低的情况下也能保证卓越的效率和耐用性。

还值得一提的是，博格华纳的EGR模块采用一体化设计(而非单个配件)，这也进一步巩固了博格华纳在热交换技术领域的领先地位。该模块将EGR冷却器、旁路阀和EGR阀等多种技术整合于一个紧凑封装中。凭借最新的一体化EGR系统，博格华纳有能力满足燃油汽车市场对高效清洁技术不断增长的需求。

对于混合动力电动汽车和插电式混合动力汽车，博格华纳还开发了创新的废热再回收系统(EHRS)，该系统已经于2018年投产。

不同于过去汽车尾气一般通过排气管排出并浪费掉，全新的废热再回收系统通过利用尾气中保存的热能来减少机械损失。在发动机冷启动期间，控制阀将尾气引导至热交换器中，从而利用气体中的热能加热车辆子系统中的液体。因此，发动机可以快速升温，从而减少排放并提高燃油效率。同时通过辅助加热可以提高驾驶舱的舒适性。这种经济高效的解决方案凭借紧凑、轻量化设计，可轻松集成于现有车辆中。

最终，通过将废气再循环(EGR)系统与废热再回收系统(EHRS)相结合，博格华纳充分利用其在传热和废气后处理技术(如EGR冷却装置和控制阀)方面的丰富经验，创造出卓越的解决方案。

3. 针对混合动力汽车的内燃机eTurboTM电子涡轮增压器

博格华纳的eTurboTM是针对混合动力汽车推出的一个功能强大且高效的解决方案，可以提升动力性能、改善油耗、降低排放，并提升系统效能，从而为汽车提供决定性的优势。

eTurboTM将涡轮增压器和电机组合为一体，电机直接耦合在涡轮轴上，可工作为发动机或发电机2种模式。集成的解决方案不仅具有传统废气涡轮增压器的优点，同时因电机的快速响应，带来了eTurboTM更好的快速响应。此外，还可以通过后处理技术和精确的空燃比控制，捕集多余的废气能量，驱动电机发电，同时降低排放。

图4 eTurboTM电子涡轮增压器的工作原理图

eTurboTM在瞬态增压响应方面提升200%以上，同样稳态扭矩也得到很大提升，从而可进一步促进发动机小型化：在不损失性能的前提下，还带来了更低的燃油消耗及排放，尤其适合于米勒发动机的需求。

除了提升车辆性能以外，eTurboTM还可以将多余的废气能量，直接转换为电能，可用作辅助电源，或者为电池充电，从而可以减少电池的容量。eTurboTM还可以根据需求，增加发动机背压，通过与废气再循环EGR的配合，来降低排放。eTurboTM的电气功能也可以关闭，关闭后即恢复为传统的涡轮增压器运转。

凭借eTurboTM的关键性能和能效特性，博格华纳一直致力于持续提升车辆性能，也致力于协助整车厂在满足日趋严格的全球排放法规的同时提高燃油效率。早在2019年1月，博格华纳就与欧洲OEM客户签订了供货合同，为其生产的乘用车提供高性能的电子涡轮增压器eTurboTM，这是博格华纳赢得的eTurboTM首份系列生产合同，并计划于2022年开始批量化生产。

eTurboTM工作模式如下：(1)增压器中集成了电机功能(公用涡轮轴)，既可以工作在电辅助模式也可以工作在发电模式。(2)电动增压模式下，可以辅助压气机提供充足的增压压力。(3)发电模式下，从排气中获得额外的涡轮能量驱动电机发电。(4)在电气功能被关闭时，即返回到传统的涡轮增压器模式。(5)有助于EGR的应用，通过调高发动机的背压。

eTurboTM不仅适用于乘用车，在商用车领域也有广泛的应用，博格华纳可提供一系列eTurboTM产品，包括全性能的48 V产品和更高压的兼容架构。此外，客户还可以自由选择集成或半集成电子功率控制模块。下面仅具体介绍应用于商用车的eTurboTM电子涡轮增压器：

商用车用eTurboTM电子涡轮增压器具有如下特点：(1)拥有耐高温的永磁体电机；(2)适应48～450 V直流电压；(3)提供高达17 kW的持续功率和高达32 kW的峰值功率；(4)水冷和油冷；(5)平台尺寸B50-B70；(5)拥有电子功率控制器。

据博格华纳介绍，当前商用车面临3大挑战，一是要实现更好的燃油经济性，二是要实现更低的尾气排放，三是要获得驾驶乐趣的同时还能大批量生产。

图5 博格华纳的商用车用eTurboTM电子涡轮增压器

对于商用车来说，采用eTurboTM增压发动机有6大优点：(1)同一个零件中，集成了电动增压和能量回收的功能；(2)直接地控制增压压力和空燃比 (带或不带VTG)；(3)无性能衰减的同时，能够显著的降转速和减小发动机排量；(4)可使用大流量的增压器来提升燃油效率，得益于电机的加速补充；(5)原先直接排放的过量废气被转化为电能储存；(6)主动将Map偏移到进气系统高效区。

4.应用于未来内燃机(含混动内燃机)的高效涡轮增压器

4.1 汽油机 VTG可变截面涡轮增压器

据介绍，博格华纳于2017年推出了面向各类汽油机的VTG可变截面涡轮增压器，在保持发动机卓越性能的同时提高了成本效益，且在设计和材料方面对全新的汽油机VTG涡轮增压器作了优化，使其能在低发动机转速下实现快速响应，带来实现接近瞬间加速的驾驶体验。汽油机VTG涡轮增压器的推出进一步巩固了博格华纳在涡轮增压技术领域的领导地位，让博格华纳成为汽车厂商首选的创新涡轮增压解决方案供应商。

该解决方案也能够与混合动力汽车的新型内燃机系统完美匹配，从而成为未来清洁节能推进系统的核心组件。

博格华纳的汽油机 VTG(可变截面涡轮增压器)充分支持米勒汽油机对涡轮和压缩机侧的增压需求，可支持米勒发动机实现良好的低速扭矩能力, 以及大功率时的低油耗表现,提供最合适的增压压力。(注：米勒循环发动机(Miller cycle engine)是一种以奥托循环(Otto cycle)为基础的机械增压(supercharger)四冲程发动机。——编者)

博格华纳对汽油机VTG涡轮增压器的材料和设计进行了优化，使其更坚固，从而能够承受汽油机的高热负荷，适应排气温度能力高达 950 ℃，可保证在最恶劣的条件下可靠运行。同时,为了适应更高功率密度的米勒循环发动机(1 020～1 050℃)，目前也可以进行深度定制。

此外，最新的VTG高效涡轮增压器配备了一个强大的电动执行器，可控制涡轮上游的压力，快速、精确地调节导向叶片，实现接近瞬时加速的效果和最优化的功率输出。通过改变涡轮机叶轮入口处的流入角度和速度，博格华纳的专利S形导叶片可调节VTG涡轮机的输出功率，在极低的转速下提高热动力和发动机响应速度。

总之，先进的汽油机VTG技术，能带来出色的油门响应和平稳的动力输送，同时提高发动机的燃油效率，降低排放；该技术适用于更多种类型的汽车。

4.2 多种商用车用涡轮增压器

图6 博格华纳面向未来内燃机(含混动内燃机)的VTG高效涡轮增压器

除汽油机VTG可变截面涡轮增压器外，博格华纳还提供涡轮增压器的多样性选择，从High-Efficiency Turbo(HET)高效涡轮增压器，到Dual Volute增压器，从球轴承增压器到eTurbo电子增压器，博格华纳的产品非常全面。其中：

(1)High Efficiency Turbo (HET) 高效涡轮增压器：博格华纳能够为on road/off road商用车提供5～10 L/10～16 L发动机不带EGR或带轻度EGR的High-Efficiency Turbo(HET)高效涡轮增压器。该产品具有最佳热力学和机械效率，尤其在巡航效率上表现突出：应用于10～16 L的HET，能够改善SCR催化剂的起燃并提高废气旁通阀式涡轮增压器的效率；应用于5～10L的HET，优化了发动机低速扭矩和峰值扭矩效率，提高了发动机瞬时响应；应用于off-road 商用车5～10 L的HET，能优化发动机的峰值扭矩和额定功率。另外还能提供专门为应用轻度EGR工况而优化的HET版本。

(2)球轴承增压器：是博格华纳为4.5～16 L发动机研发的新的球轴承增压器，可应用于全系列商用车发动机。该增压器耐用结实，使用带氮化硅涂层滚珠的球轴承组件，并采用带专利的用于废气旁通或可变截面增压器的挤压油膜缓冲设计。使用寿命可达20 000 h或160万km。

(3)Dual Volute 增压器：该增压器通过去除公共通道，并将2个气流通道完全分离，能够捕获比双流道涡轮增压器更多的废气脉冲能量。在低发动机转速下，排气脉冲之间的时间间隔更长，且排气流的多少存在较大差异，这种情况下，利用来自发动机的脉冲能比仅利用废气创造出更多的能量，从而更好地驱动涡轮机叶轮。这种在低转速下利用更多能量的能力也是实现快速增压响应的关键，有助于满足现代涡轮增压发动机中对于发动机响应速度的需求。

5.座舱、动力电池及燃料电池加热器

博格华纳在热管理领域有着各种各样的产品组合，其中还包括动力电池、燃料电池及座舱加热器系列(高压冷却液加热器形式的电水加热系统)，可为司机和乘客提供舒适的车厢温度，同时为动力电池、燃料电池提供适宜的工作温度。

对于电动汽车的动力电池来说，低温状态下，锂离子的活性大幅减低，同时，电解液的粘度急剧增加。如此一来，电池的性能会大幅下滑，同时也会影响电池寿命，因此，对电池包的加热显得非常重要。目前很多新能源车上只装配了电池冷却系统，而忽视了加热系统。

目前比较主流的电池包加热方式主要是热泵和高压液体加热。从整车厂角度，各种选择方案不尽相同：如特斯拉 Model S电池包采用的是能耗较高的电阻丝加热，为了节约宝贵的电能，特斯拉在Model 3上取消了电阻丝加热，转而用电机和电子电力系统的废热加热电池。而采用50%水+50%乙二醇为介质的电池加热系统，目前受到各大汽车制造商的欢迎，已有较多新项目正处于量产前的准备阶段。还有采用热泵加热的车型，但热泵在环境温度较低时，搬热能力较低，不能快速升温制热；因此，目前来看对整车厂而言，“高压液体加热方案”是解决冬季电池加热痛点的首选。

博格华纳的新型高压液体加热器(HVCH)采用超紧凑的模块化设计, 热功率密度高。低热质量和高效率、响应时间快，能为混合动力汽车和电动汽车提供舒适的车厢温度。其包装尺寸和重量减小、使用寿命长: 后膜加热元件的使用寿命长达 1.5万h或更久；电源高度灵活并采用冷却剂接通装置设想；还可选配 800 V 快速充电。

2018年9月，凭借在电动汽车热管理解决方案领域的丰富经验，博格华纳获得欧洲某一流汽车制造商和亚洲某主要汽车厂商的高压液体加热器大批量订单，该订单已经于2020年开始生产。

博格华纳排放与热系统事业部总裁兼总经理Joe Fadool表示：“我们很高兴能为欧洲和亚洲一流的汽车制造商提供小巧轻便的创新加热解决方案，助力其降低电动汽车的电池消耗，提高乘客舒适度。我们的工程师在座舱和电池加热技术方面拥有丰富的经验，对电动汽车和混合动力汽车制造商的技术要求亦有着深入的了解。”

作为博格华纳动力电池和座舱加热产品家族的一员，高压液体加热器(HVCH)采用最新的厚膜元件(TFE)技术，通过单一设备解决了纯电动汽车和混合动力汽车市场中，座舱加热和动力电池加热管理技术的2大痛点。既能在没有发动机热量的情况下保持座舱温暖，又可调节动力电池组的温度，确保其高效率运作。

图7 博格华纳的高压液体加热器(HVCH)

据介绍，该技术的开发，旨在满足迅速产生热量的高性能系统对于热管理的需求。当前和未来车辆的热管理系统将逐渐与内燃机分离，在混合动力汽车中大部分将脱离内燃机热量，直至在纯电动汽车中彻底分离。由于高压液体加热器的加热元件完全浸没于冷却剂中，因而能实现最小的功率损耗。该技术通过在电池组及电池内部保持均衡的温度来提高电池能量表现。

高压液体加热器的热质量较低，因而具有极高的热功率密度和快速响应时间，电池耗用较少，从而延长汽车电池的续航里程。此外，该技术还支持直接温度感测功能。

目前高压液体加热器(HVCH)提供单板和双板加热器2种版本，两者都集成于坚固的铝制外壳中，具有出色的电磁屏蔽。单板加热器仅负责电池热管理或座舱加热功能之一，性价比高；双板加热器则可同时胜任两项任务，并且其传热表面比单板加热器大80%左右。

高压液体加热器(HVCH)有不同的规格，功率范围3～10 kW，适用于各类车型，适用的电源电压为180～800 V。为防止设备过热，系统会在出现故障时自动关闭。

6.小结

博格华纳作为内燃机汽车、纯电动汽车和混合动力汽车清洁高效驱动系统解决方案的提供商，在中国乃至全球市场一直发展迅速。据悉，至少近10年来博格华纳在中国地区的销售收入每年平均保持了近30%的增长，远远超过了同期中国汽车市场的年平均增速。近些年来，面对汽车动力技术新的革命，博格华纳在自主创新和兼并重组的双重驱动下，从内燃机汽车动力热管理系统和底盘传动系统，到纯电动汽车、混合动力汽车的驱动模块和热管理系统等，逐步实现了诸多领域的技术创新和跨越，最终成为全球多个汽车领域的领先者。