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解析48V 轻度混动系统 成本低却更节能

日期: 2018-03-08
浏览次数: 2187

关键字:48V  BSG  混合动力  轻度混动系统

全世界正在经历一场前所未有的能源变革,这不是什么秘密。世界各地的主机厂必须拿出最最先进的技术来应对严苛的排放标准,以我国为例,要求在 2020 年新车的平均百公里油耗不超过 5L 。因此,逐渐换装新能源成了摆在他们面前的最好选择。

但结合目前的情况实事求是地说,由于各方面因素的局限,新能源汽车还没到彻底取代燃油车的时候。同时,传统汽车厂商们当然不愿意轻易放弃花费大量心血设计完成的燃油汽车。面对严格的限排政策,他们急需一个既不把燃油车推倒重来、又能有效降低油耗的好办法,最终选中了 48V 轻度混合动力系统。

解析48V 轻度混动系统  成本低却更节能

「图」今年 4 月即将在国内上市的奥迪 A8L ,搭载了 48V 轻混系统

一、什么是 48V 轻度混合动力系统?

48V 混合动力又被称作 Mild Hybrid (轻混),虽然没有明确的规范划分,但在世界汽车行业中,绝大多数从业者习惯把丰田、福特、通用这类混合动力技术称为“Strong Hybrid”(也就是我们通常广义泛指的混合动力技术,以下简称广义混合动力),像自动启停这种仅需 12V 电压就可以带动的技术称为“Micro Hybrid(微混)”。

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48V 混合动力的基本原理与丰田福特等车企的广义混合动力技术一样,都是通过电动机与内燃机并联运行,以提供额外的驱动力,同时兼具动能回收功能。但不同的是,48V 混合动力相比广义混合动力技术占地更小,重量更轻,成本更低,同时在部署的难度上也更加容易。而相比 12V 电压的 Micro Hybrid ,48V混合动力技术则具有更好的节油效果和更强的功能性。

二、为什么普遍使用的是 48V 轻混?

细心的朋友会发现,如今市面上许多车型都采用 48V 轻混,仿佛达成了某种默契。要说引领 48V风潮的,其实是奔驰、宝马、大众、奥迪和保时捷这 5 家车企。早在 2011 年 6 月,他们就发表声明,宣布将应用 48V 系统,不久后又发布 48V 系统标准,称为 LV148 。

那么问题来了,为什么是 48V ,而不是其他数值的电压呢?

针对这个问题,我们得先从一般车辆上的 12V 电压说起。我们知道,功率=电压×电流,如果要输出轻混所需的 10kW~20KW功率,使用 12V 的话则电池的输出电流需要达到 1000A,显然行不通。于是,提高电压就成了最可行的办法。最终综合成本和效果来权衡,选中了 48V 。

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电压增高,可以带动更大功率的电器,如电子涡轮、主动悬架系统、电助力转向,当然还有电动机,把普通燃油车变成轻度混合动力车。虽然只是轻混,从节油效果来看一点也不含糊,平时在燃油车里常见的 12V 自动启停系统节油效果为 5%-6% ,而48V轻混系统是它的三倍,达到 14%-17% ,油电混合动力系统的家有效果通常在 17%-21% 。而在成本上,48V 轻混系统只有油电混合系统的 30% ,价格便宜量又足,形容 48V 为事半功倍都不夸张。

需要注意的是, 48V 轻混系统的电动机比混动系统的电动机小,不足以让汽车在纯电状态下加速,仍需搭配发动机同时使用。

三、48V 轻混系统的电气架构

48V 轻混系统可以看成是 12V 启停系统的升级版,增加了 48V 储能电池、48V/12V 双向 DCDC 变换器、48V BSG 轻混系统/ISG(汽车发动发电一体机)、电动增压器(可选配置)、电池管理系统等。

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然而针对于 48V 系统并不是完全 48V 化,为了提高系统兼容性,同时降低推广难度,现在业界推出的主流方案都是 12V+48V ,比直接上 48V 更容易实现。即保留了原先的 12V 系统,在 12V 系统上扩展了相对应的对于负载大的用 48V 来驱动。

四、48V 轻混系统的工作原理

12V 系统升级到相对应的48V系统后,除了自动启停功能之外,还具备了发动机停机滑行、滑行与制动能量回收、加速助力和电巡航功能等,升级方向是朝着优化驾驶体验和提高节能效率去的,附带的,电压增大,还可以为车辆内部的电子设备提供更多的功率。

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「图」博世的 48V 轻混系统原理

在不同的工作模式下,48V 轻混系统会有不同的表现。

自动启停:如等红绿灯时,车辆静止状态下,发动机处于关闭状态,48V 大容量电池利用存储的能量维持车载电气的正常运行,发动机可以随时快速启动。

能量回收:能量回收可以将动能转化为电能,并存储到电池中。仅能量回收功能就可以降低大约 5%-7% 的油耗。

加速辅助:混动系统可以减小发动机的排量,在提速阶段,电机的辅助动力能弥补发动机动力的不足,实现不损失动力的情况下降低排放。

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「图」各种工作状态的节能效果

巡航:在车辆恒速运行,并且电池电量充足的情况下,关闭发动机喷油系统,依靠电机来维持车辆运行。电机提供的动力用来抵消行驶阻力以及发动机的拖拽阻力。BSG/ISG在高速巡航阶段,电能充足的情况下,可以彻底分离且关闭发动机,仅靠电机保持车辆巡航。当再次踩下油门踏板,发动机会迅速启动,平滑切入到当前车速。

滑行:在松开油门,车辆处于滑行阶段,离合器分离发动机和传动系统的机械连接,彻底关闭发动机,实现更长的行驶距离。相当于传统车辆空档滑行,只不过传统车辆在切换到空档滑行之后,发动机转速在降到怠速时依然需要喷油来维持发动机的运行。

五、48V 轻混系统的优、劣势有哪些?

相对于 12V 电系统和广义的混合动力系统,48V系统拥有比较明显的优势:

更加安全:在我们从小学到的物理学知识中,一直都认为 36V 以下才是安全电压。但在高电压的电动汽车当中,这个安全值并不科学。一方面人体电阻的阻值存在很大的个体差异,胖瘦高矮男女老少阻值都不相同。另一方面人类所处的环境也会对人体阻值产生影响,潮湿的夏天人体阻值会变小,而在干燥的冬天阻值则会增大。根据多方面因素综合考虑,目前国际上通常认为 60V 以下的直流电压和 25V 以下的交流电压属于安全电压。

成本低廉:48V 混合动力本身标称电压就在 60V 以下,即使算上由于 SOC 较高时导致的电压波动,48V 混合动力系统的电压峰值也不会超过 58V ,所以不需要采取额外的电压防护措施(许多国家规定电压超过 60V 需安装防护措施),相对与上面所说的“ Strong Hybrid ”来说,成本更低。

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通用性强:48V 系统可兼容更多不同的用电设备,比如如今车载领域越来越多的娱乐化大屏和复杂的汽车中控系统。同时,48V提供更大容量的蓄电池,可以将传统内燃机汽车上依靠发动机来负载的空调压缩机、冷却水泵等设备通过电池来负载,这样做不仅能有效降低发动机的负荷,也可以在发动机关闭的情况下使用这些大功率设备。

节能减排:由于 BSG 技术和 ISG 技术的帮助,48V 混合动力系统可以进一步缩小发动机的体积,进而降低排放。同时,利用电动涡轮来替代机械涡轮,还能进一步提高发动机的效率。48V 混合动力系统可以实现滑行启停、动能回收、辅助加速等功能,有效避免了燃油的不必要消耗。相比于广义混合动力汽车,48V 混合动力系统仅需要 30% 的成本,可以达到 70% 左右的效果。从性价比方面来说相当划算。

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「图」奥迪 A8L 搭载的 48V 轻混系统

同样的,相比优势,它的劣势也十分明显:

1、48V 电压相比 12V 电压更容易产生电弧的问题,如果长期热插拔可能会影响电子设备的寿命。

2、即便比混合动力系统的成本低了不少,但 48V 混合动力系统带来的车载设备全面更新还是会影响最终车辆的终端售价。

六、为什么欧洲人选择 48V 而美国人选 90V ?

其实综合上文提到的 48V 的优势,不难看出节约成本是其最大的优点。欧洲法规规定 60V 以上才是高压,所以 48V 可以认为是低压系统,不需要做高压保护,从而省去很多成本。欧洲人一般精打细算,非常注重成本,特别是在 48V 系统应用比较成熟的情况下,本身就具备一定的成本优势。因此欧洲车企大都选择 48V 就很容易理解了。

但要从用户体验上来看,48V 是不如 90V 的。首先是省油的幅度,根据通用内部的对比试验,90V 轻混系统能够在 48V 的基础上,再节约7%的油耗。具体到车型上,采用 90V 轻混系统的凯迪拉克 XT5 28E ,在不改变动力结构的情况下,可以在启停阶段实现纯电驱动,在加速阶段与发动机同时工作,平顺扭矩和提升加速,更能实现在平稳驾驶的同时实现制动能量回收,从而实现了很高的效率。

解析48V 轻度混动系统  成本低却更节能

「图」凯迪拉克 XT5 28E 采用 90V 轻混系统

另外,使用 90V 轻混的车辆,NVH 也普遍优于 48V 。通用的 90V 轻混系统采用了皮带轮驱动发动机的方法,和经典 48V 系统的 ISG 相比,多了皮带的缓冲,加上电机功率增加,可以实现快速启动,有效减小启停时的振动噪声。而电压升高可以使电机高速提供更大的扭矩,这样的话,可以提供高速时的助力,并对换档提供更大帮助,增加换档平顺性。

而在制造成本上,通用的标准规定 36V 以上就是高压,需要加装防护措施,因此 48V 和 90V 的成本不存在太大差异,美国人当然选择效果更显著的 90V 。

七、新能源车红红火火,48V 的前景如何

如今,越来越多的企业开始重视 48V 混合动力系统,除了各大汽车企业外,像博世、大陆集团、法雷奥、AVL 等供应商也已经发布了各自提供的 48V 解决方案,国内的比亚迪、长安、奇瑞等也在积极跟进。

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「图」48V 混动系统目前更多使用在豪华车型上

相比广义混合动力技术,48V 混合动力在很多国家和地区还不被视为“混合动力技术”,无法享受福利性政策和补贴。比如在中国汽车市场中,由于 48V 混合动力系统无法进入新能源目录,自然也没办法享受新能源汽车牌照等优惠措施。这也导致这类技术目前仅在一些中高端豪华车型上进行了实装来降低一定的油耗,比如奥迪 A8L 、奔驰 S 级等,而在中低端车型上由于成本的增加并不能受到太多消费者的认可。

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「图」各大车企的 48V 轻混系统大规模量产时间

虽然也有很多主机厂开始布局 48V 混合动力的车型,绝大多数车企最终量产也都指向了2020年。或许对于这些厂商来说,48V只是一个暂时解决排放难题的“小技巧”,最终还是需要依靠广义混合动力和纯电动来进军新能源市场。

总结:汽车巨头们都不是傻子,他们不约而同地选择了 48V ,说明其本身具有许多让人难以拒绝的优点。在低成本的情况下,实现大幅度地节能,降低排放以满足严苛的政策,这是 48V 最大的本领。因此, 48V 混合动力系统被认为拥有良好的发展前景,随着电池技术的发展和动力系统的优化,未来的 48V 混合动力系统有可能被广义混合动力系统收编,成为入门级车型上配备的低端混合动力配置。

但如果要谈到中国市场, 48V 混合动力系统的未来值得担忧。毕竟我国市场的未来大概率地属于纯电动汽车,连插混车型都只是时代变革的过渡产品,普通油电混动车更是连新能源车都不算,更何况一个小小的 48V 轻混呢?


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