胡超，楊名洋,2，鄧康耀,2，邢衛(wèi)東，張俊躍

(1.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海交通大學(xué)高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300400)

隨著環(huán)境污染、全球變暖問(wèn)題逐漸緊迫，世界主要國(guó)家都開(kāi)始制定大幅度降低油耗和CO2排放的法規(guī)。巴黎氣候大會(huì)上，中國(guó)承諾在2030年實(shí)現(xiàn)CO2減排65%左右。近3年來(lái)，車用動(dòng)力電動(dòng)化的發(fā)展在世界范圍內(nèi)進(jìn)入快車道，各國(guó)均推出了未來(lái)電動(dòng)化車用動(dòng)力的發(fā)展規(guī)劃。然而，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，目前傳統(tǒng)車用電池技術(shù)仍然存在能量密度相對(duì)低、充電時(shí)間長(zhǎng)、電池性能退化嚴(yán)重和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題需要逐一克服。燃料電池技術(shù)雖在能量密度和能量補(bǔ)充時(shí)間方面和內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)，但在技術(shù)成熟度、成本控制方面在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)難以與內(nèi)燃機(jī)相比。內(nèi)燃機(jī)和混合動(dòng)力將是未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的主流車用動(dòng)力[1]。因此，發(fā)展節(jié)能型和低排放的內(nèi)燃機(jī)、加大汽車動(dòng)力總成中的電氣化比重依舊是車用動(dòng)力的關(guān)鍵任務(wù)之一。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)近30%的能量由廢氣帶走而浪費(fèi)，故余熱利用技術(shù)成為了內(nèi)燃機(jī)進(jìn)一步節(jié)能減排的關(guān)鍵。目前車船用動(dòng)力余熱利用技術(shù)中，相對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)、熱發(fā)電(TEG)等，機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)以其節(jié)能減排的巨大潛力、高結(jié)構(gòu)緊湊性和技術(shù)成熟度等諸多優(yōu)勢(shì)，逐步成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[2]。

機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)的特征是將電機(jī)(包含電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī))與傳統(tǒng)渦輪增壓器集成，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器運(yùn)行的部分解耦甚至完全解耦，可從本質(zhì)上解決往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)式葉輪機(jī)械渦輪增壓器難以全工況匹配的問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量與負(fù)荷程度正相關(guān)。傳統(tǒng)渦輪增壓須采用可調(diào)幾何方式如廢氣旁通等避免高負(fù)荷過(guò)度增壓、低負(fù)荷增壓不足的問(wèn)題。該方法導(dǎo)致增壓器在廢氣能量利用方面存在嚴(yán)重不足，難以適應(yīng)未來(lái)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)增壓技術(shù)的需求。機(jī)電復(fù)合增壓通過(guò)高負(fù)荷渦輪發(fā)電、低負(fù)荷電機(jī)輔助增壓的方式，一方面實(shí)現(xiàn)渦輪增壓與發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況匹配，另一方面可以和混合動(dòng)力系統(tǒng)電力整合，在提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與混合動(dòng)力汽車的燃效和尾氣排放方面具有極大的潛力。

目前，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，帝國(guó)理工學(xué)院、拉夫堡大學(xué)、盧布爾雅那大學(xué)和杜倫大學(xué)等國(guó)外高校聯(lián)合卡特彼勒、博格華納、CPT等OEM或零部件公司，針對(duì)機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)的系統(tǒng)匹配、切換控制、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及流動(dòng)機(jī)理等方面開(kāi)展了相關(guān)研究。對(duì)于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是在低速二沖程大功率發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)研究比較少見(jiàn)，僅有日本三菱重工開(kāi)展了針對(duì)低速機(jī)的機(jī)電復(fù)合增壓研究[3-5]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)車船用機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)的研究仍較為少見(jiàn)，僅有部分概念性探討和對(duì)比研究[6-7]。本研究針對(duì)當(dāng)前機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵問(wèn)題及現(xiàn)行的解決方案進(jìn)行綜述，并對(duì)未來(lái)研究應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

1 機(jī)電復(fù)合增壓的結(jié)構(gòu)布局

目前國(guó)內(nèi)外研究中的機(jī)電復(fù)合增壓結(jié)構(gòu)布局存在諸多形式。根據(jù)電機(jī)是否集成在渦輪軸上可分為三類(見(jiàn)圖1)：1)集成于傳統(tǒng)增壓器轉(zhuǎn)軸上的兩種結(jié)構(gòu)，包括混合增壓結(jié)構(gòu)(集成電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，Hybrid Turbocharger)[8-9]和緊湊型電輔助增壓(集成電動(dòng)機(jī))結(jié)構(gòu)[10-12]；2)安置于進(jìn)排氣管路中的三種串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括串聯(lián)在增壓器壓氣機(jī)上/下游的電輔助增壓[13-14]，串/并聯(lián)在增壓器渦輪端下游的動(dòng)力渦輪[7,15]，以及集成了電輔助增壓和動(dòng)力渦輪的分體式渦輪增壓[16]；3)上述兩類布局方案組合形成的復(fù)合型方案[17-18]。

圖1 機(jī)電復(fù)合增壓方案布局

對(duì)于同軸布局類型，緊湊型電輔助增壓和混合增壓通過(guò)高速電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)對(duì)增壓器轉(zhuǎn)子制動(dòng)或增速實(shí)現(xiàn)渦輪發(fā)電或者輔助增壓，從而突破傳統(tǒng)增壓器中渦輪-壓氣機(jī)功率平衡、增壓器-發(fā)動(dòng)機(jī)相互耦合的約束，解決內(nèi)燃機(jī)低負(fù)荷氣量不足和高負(fù)荷增壓過(guò)度等問(wèn)題。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙許用空間有限，車用電輔助/電復(fù)合渦輪增壓一般將電機(jī)集成在渦輪和壓氣機(jī)之間的渦輪軸上以提高緊湊性。而船用動(dòng)力艙空間相對(duì)較大，船用電輔助/電復(fù)合渦輪增壓通過(guò)聯(lián)軸器等將電機(jī)集成在徑流式壓氣機(jī)側(cè)的延長(zhǎng)軸上，利用進(jìn)氣空氣對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行輔助冷卻[19-20]。在相同輔助功率情況下，船用緊湊型電輔助渦輪增壓器掃氣壓力和工作效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)船用輔助風(fēng)機(jī)[19]。緊湊型電輔助增壓通過(guò)在低負(fù)荷時(shí)助力增壓提高氣量以改善低速動(dòng)力性能和排放性能，但是該布局型式在中高負(fù)荷時(shí)由于進(jìn)氣量充足而喪失優(yōu)勢(shì)。另一方面，混合型布局方式由于兼具發(fā)電和助力的功能，因而可在低負(fù)荷氣量不足時(shí)實(shí)現(xiàn)輔助增壓提高進(jìn)氣量，同時(shí)高負(fù)荷排氣能量過(guò)剩時(shí)渦輪發(fā)電回收能量。相比于緊湊型電輔助增壓方案，該布局結(jié)構(gòu)由于集成電動(dòng)發(fā)電機(jī)于增壓器中間體中，因此要求電動(dòng)發(fā)電機(jī)具有高可靠性、高緊湊性等要求，對(duì)高效冷卻技術(shù)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)等提出了巨大的挑戰(zhàn)，目前仍處于樣機(jī)驗(yàn)證階段。

對(duì)于不同軸布局類型，電輔助增壓通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)離心壓氣機(jī)或螺桿式壓氣機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況進(jìn)行輔助增壓，補(bǔ)充進(jìn)氣以改善燃油經(jīng)濟(jì)性能，但須消耗額外能量，且僅在低負(fù)荷時(shí)具有良好效果。動(dòng)力渦輪通過(guò)與傳統(tǒng)增壓器并聯(lián)或串聯(lián)的渦輪在高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況回收富余排氣能量，從而避免使用廢氣旁通閥，同時(shí)避免發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷增壓過(guò)度、壓氣機(jī)堵塞和增壓器超速等問(wèn)題[15]。然而該方案僅在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)才具有較大節(jié)能優(yōu)勢(shì)，低負(fù)荷時(shí)由于使氣量進(jìn)一步降低，反而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化。分體式增壓則綜合電輔助增壓和動(dòng)力渦輪兩種方式，取消了渦輪和壓氣機(jī)之間的機(jī)械連接軸，使用電池電源作為柔性能量單元溝通壓氣機(jī)和渦輪，從而具有可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷最佳運(yùn)行狀態(tài)的潛力。但是該方案能量轉(zhuǎn)換鏈過(guò)長(zhǎng)，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率較低[16-17]。復(fù)合增壓類型是將上述多種增壓布局方案進(jìn)行組合，目前研究較少，仍停留在概念層次[18]。

上述三大類型機(jī)電復(fù)合增壓布局方案的優(yōu)劣勢(shì)和潛力具有較大差異。諸葛偉林等比較了串、并聯(lián)動(dòng)力渦輪和緊湊型混合增壓三種方案，指出并聯(lián)動(dòng)力渦輪結(jié)構(gòu)在高低負(fù)荷均可提升燃油經(jīng)濟(jì)性(US06路況提升4%，F(xiàn)TP75提升1.6%)，是所研究的三種方案中最具潛力的布局[7]。Pasini等基于車用壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)比較了傳統(tǒng)增壓(可變幾何增壓VGT)、混合增壓和分體式增壓三種增壓布局方案的燃油經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)[21]。研究結(jié)果表明，分體式增壓取消了傳統(tǒng)渦輪與壓氣機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速相等的限制，比混合增壓擁有更大的節(jié)能潛力。其中，高轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷時(shí)混合增壓和分體式增壓分別比傳統(tǒng)增壓提高燃油機(jī)經(jīng)濟(jì)性6%和8%，但是中等轉(zhuǎn)速時(shí)此兩種機(jī)電復(fù)合增壓方案并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

2 機(jī)電復(fù)合增壓與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配及控制策略

機(jī)電復(fù)合增壓與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配決定了兩者聯(lián)合工作范圍，匹配的好壞決定了增壓發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排潛力的大小?？刂撇呗允菣C(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)的關(guān)鍵，其優(yōu)劣決定了增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和瞬態(tài)響應(yīng)能力的高低。

對(duì)于傳統(tǒng)渦輪增壓器，匹配時(shí)須確保發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣特性曲線穿過(guò)壓氣機(jī)和渦輪高效率區(qū)，并與壓氣機(jī)喘振線有一定距離(10%及以上的喘振裕度)，具體方法包括估算[22-23]和試驗(yàn)[24]等。其中顧宏中提出的JTK匹配估算方法見(jiàn)圖2。

圖2 JTK匹配估算方法[22]

傳統(tǒng)增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配、壓氣機(jī)與渦輪匹配須滿足轉(zhuǎn)速、流量相等以及功率平衡等約束條件。機(jī)電復(fù)合增壓由于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器、壓氣機(jī)與渦輪的解耦，因而具有不同的匹配約束條件，具體見(jiàn)表1。機(jī)電復(fù)合增壓與傳動(dòng)增壓方案的約束差異導(dǎo)致機(jī)電復(fù)合增壓-發(fā)動(dòng)機(jī)匹配和傳統(tǒng)匹配方法呈現(xiàn)顯著差異特征。然而，目前針對(duì)機(jī)電復(fù)合增壓匹配方法的報(bào)道較少，主要是基于傳統(tǒng)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)匹配方案進(jìn)行修改調(diào)整。Dimitriou等開(kāi)展了機(jī)電復(fù)合增壓渦輪與壓氣機(jī)大小對(duì)整機(jī)性能影響的規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)增壓器相比，須采用小渦輪和小壓氣機(jī)才可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和加速性能[25]。

表1 機(jī)電復(fù)合渦輪增壓方案約束條件

由于約束條件的減少，機(jī)電復(fù)合增壓增加了增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的控制變量(電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)功率)，且與其他控制量(VGT開(kāi)度和EGR閥)耦合緊密，因而氣系統(tǒng)的控制更加復(fù)雜。目前機(jī)電復(fù)合增壓控制主要面臨以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：模式切換控制策略(電動(dòng)模式/發(fā)電模式)、電機(jī)功率控制策略(電動(dòng)機(jī)功率/發(fā)電量)和多變量協(xié)同控制(電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)功率、VGT和廢氣再循環(huán)EGR率)[26-28]。針對(duì)以上問(wèn)題，Zhao等提出了混合增壓柴油機(jī)可預(yù)測(cè)控制模型控制方法[29-31]，采用H_∞解耦控制理論對(duì)多個(gè)變量(電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)功率、VGT開(kāi)度和EGR率)進(jìn)行解耦控制[32-33]，試驗(yàn)結(jié)果證明該方法具備高可靠性和高跟隨性，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗下降0.5%左右[30]。

3 機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)的部件研究

機(jī)電復(fù)合增壓取消了傳統(tǒng)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在功率平衡、轉(zhuǎn)速相等方面的約束，使得該技術(shù)對(duì)其核心部件即離心壓氣機(jī)、渦輪提出了與傳統(tǒng)增壓具有明顯差異的要求。電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)是機(jī)電復(fù)合增壓的另一個(gè)關(guān)鍵部件，與離心壓氣機(jī)、渦輪的聯(lián)合工作使得該部件與現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的工況、運(yùn)行環(huán)境具有顯著差別。因此，機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)須重點(diǎn)對(duì)離心壓氣機(jī)、渦輪以及電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)開(kāi)展針對(duì)性的研究。

3.1 渦輪

渦輪是機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)中進(jìn)行能量回收的部件，因此，與傳統(tǒng)增壓器相比，提高渦輪效率意義更為重大。傳統(tǒng)增壓器渦輪最高效率通常在80%左右[22]，而機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)為了獲得更高的收益，需要渦輪效率相比傳統(tǒng)渦輪明顯提高。Caterpillar公司所設(shè)計(jì)的機(jī)電復(fù)合渦輪最高效率達(dá)到85%左右[27]。對(duì)于具有串聯(lián)布局形式(見(jiàn)圖1)的機(jī)電復(fù)合增壓，動(dòng)力渦輪前排氣能量較低，壓力在0.105～0.130 MPa[2]。然而，傳統(tǒng)徑流式渦輪最高效率的壓比高于2.0，在低膨脹比時(shí)效率極低(小于40%)。顯然，采用傳統(tǒng)增壓器渦輪設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足具有串聯(lián)布局形式的機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)。另一方面，由于目前適用于渦輪發(fā)電的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通常顯著低于傳統(tǒng)增壓器運(yùn)行轉(zhuǎn)速，因而機(jī)電復(fù)合增壓渦輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速須偏離徑流渦輪最佳轉(zhuǎn)速范圍。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院Martinez-Botas等針對(duì)機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)設(shè)計(jì)了低膨脹比高效率混流渦輪(見(jiàn)圖3)[34-35]。該渦輪最高效點(diǎn)出現(xiàn)在膨脹比為1.1時(shí)，最高效率達(dá)75.8%。該機(jī)電復(fù)合增壓可使發(fā)動(dòng)機(jī)在1.0 L汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中提高燃油經(jīng)濟(jì)性約3%。Kant等基于該渦輪設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步開(kāi)展了10.0 L重卡柴油機(jī)的動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)研究，結(jié)果顯示基于該動(dòng)力渦輪的機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低近4%[36]。

圖3 傳統(tǒng)渦輪和低膨脹比高效渦輪性能比較[35]

3.2 壓氣機(jī)

機(jī)電復(fù)合增壓廣泛采用離心壓氣機(jī)作為增壓壓氣機(jī)。由于壓氣機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗能量，因而提高壓氣機(jī)效率對(duì)于機(jī)電復(fù)合增壓系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。Caterpillar所設(shè)計(jì)的機(jī)電復(fù)合增壓壓氣機(jī)比傳統(tǒng)增壓壓氣機(jī)效率高3%～8%[27]。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助增壓布局形式的機(jī)電復(fù)合增壓，由于目前輔助增壓用高速電機(jī)轉(zhuǎn)速通常難以達(dá)到傳統(tǒng)渦輪增壓器運(yùn)行轉(zhuǎn)速，這就要求機(jī)電復(fù)合增壓的離心壓氣機(jī)采用相對(duì)較低的比轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)理念。楊名洋等針對(duì)電輔助設(shè)計(jì)了一款壓比2.0，轉(zhuǎn)速120 000 r/min的離心壓氣機(jī)，其最高效率為78%[37]。鄭新前等設(shè)計(jì)了一款轉(zhuǎn)速僅為20 000 r/min的電動(dòng)離心壓氣機(jī)，采用大后彎角、小擴(kuò)壓器等設(shè)計(jì)特征，實(shí)現(xiàn)最高效率約78%[38]。另一方面，由于機(jī)電復(fù)合增壓中渦輪發(fā)電工況將導(dǎo)致離心壓氣機(jī)向小流量工況移動(dòng)，從而靠近喘振邊界，因此，機(jī)電復(fù)合增壓對(duì)壓氣機(jī)喘振裕度提出了更高的要求。Wang P等采用優(yōu)化葉輪葉尖負(fù)荷分布等方式提高電輔助增壓離心壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，喘振裕度拓寬約51.4%[39]。由于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能的苛刻要求，需要離心壓氣機(jī)具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。如何在低比轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間平衡優(yōu)化，是機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)需要在電機(jī)技術(shù)成熟度、效率、成本、可靠性等諸多因素中綜合考慮的挑戰(zhàn)之一。

3.3 電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)

機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)要求其電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)具有高速(大于10 000 r/min)、低慣量快響應(yīng)、高結(jié)構(gòu)緊湊性、高溫環(huán)境下的高可靠性、寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的交/直流高效逆變等一系列特征，目前研究主要包括集成電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效冷卻、交/直流電(AC/DC)轉(zhuǎn)換、超快速啟動(dòng)等方面。對(duì)于電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)集成在增壓器轉(zhuǎn)軸與中間體上的混合增壓或復(fù)合增壓布局形式，高溫渦輪端向電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)傳遞的大量熱與電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)緊湊空間內(nèi)的散熱極難被冷卻液帶走。高溫會(huì)導(dǎo)致包線絕緣性降低、永磁體退磁以及軸承潤(rùn)滑不良等一系列問(wèn)題，故須開(kāi)展緊湊空間內(nèi)的高效冷卻技術(shù)。Rutledge等針對(duì)混合增壓布局形式的機(jī)電復(fù)合增壓開(kāi)展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖4)和水冷技術(shù)研究，提高電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)及其電路的可靠性[40]。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍寬廣，機(jī)電復(fù)合增壓轉(zhuǎn)速覆蓋范圍寬，因而電機(jī)電流基頻(甚至達(dá)kHz級(jí))超高進(jìn)而難以使用電壓源脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行變頻和轉(zhuǎn)換。Yamashita等采用高頻斬波器(30 kHz)的電流源逆變器有效避免了該問(wèn)題[8]。另一方面，為了提高機(jī)電復(fù)合增壓加速響應(yīng)性能，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不超過(guò)1 s時(shí)間內(nèi)加速至壓氣機(jī)最低工作轉(zhuǎn)速(50 000～70 000 r/min)。這一方面對(duì)電機(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提出較高要求，另一方面，電子元器件易因強(qiáng)電流發(fā)熱受損。Kattwinkel等采用集成電路、場(chǎng)效應(yīng)管并提升車載電源電壓(12 V提升到24 V或48 V)等方法，有效降低了啟動(dòng)電流，并且提升了線路電流承載能力，解決了電子元器件的熱受損問(wèn)題[41]。

圖4 電機(jī)中置集成在渦輪軸設(shè)計(jì)示意[40]

4 總結(jié)與展望

在車用動(dòng)力電動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)大潮下，機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)快速發(fā)展?，F(xiàn)有多種布局形式的機(jī)電復(fù)合增壓類型(同軸、不同軸和復(fù)合類型)，不同方案發(fā)動(dòng)機(jī)-增壓、渦輪-壓氣機(jī)匹配約束和工作環(huán)境與傳統(tǒng)渦輪增壓器存在巨大差異，從而導(dǎo)致機(jī)電復(fù)合增壓-發(fā)動(dòng)機(jī)匹配、關(guān)鍵部件等方面與傳統(tǒng)增壓在設(shè)計(jì)理念和方法方面迥異。

從機(jī)電復(fù)合增壓結(jié)構(gòu)布局特征、匹配與控制、關(guān)鍵部件等三個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，分析比較了三種布局方案的機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)的特點(diǎn)與潛力，討論了機(jī)電復(fù)合增壓匹配和控制技術(shù)特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀，最后闡述了機(jī)電復(fù)合增壓的渦輪、壓氣機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)具體特點(diǎn)要求與研究進(jìn)展。針對(duì)機(jī)電復(fù)合增壓尚無(wú)成體系的匹配方法，目前主要以基于傳統(tǒng)渦輪增壓匹配方法的經(jīng)驗(yàn)為主。針對(duì)機(jī)電復(fù)合增壓部件的研究較少，目前仍然以傳統(tǒng)增壓離心壓氣機(jī)和渦輪設(shè)計(jì)方法為主，難以滿足機(jī)電復(fù)合增壓對(duì)高效低膨脹比渦輪、高效寬喘振裕度壓氣機(jī)的要求。目前高速、高緊湊性、高可靠性與低慣量電機(jī)/發(fā)電機(jī)的研發(fā)離機(jī)電復(fù)合增壓對(duì)之提出的要求仍有較大距離。雖然存在巨大的挑戰(zhàn)，但機(jī)電復(fù)合增壓基于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況實(shí)現(xiàn)精細(xì)化空氣管理，在提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放方面具有極大潛力。機(jī)電復(fù)合增壓技術(shù)將在汽車電氣化發(fā)展中逐漸發(fā)展成熟，是未來(lái)最具潛力的主流增壓技術(shù)。