汽车48V系统(深度)

这次我们的主题是汽车48V系统,包括48V车载电气系统以及48V轻混系统(48V mild hybrid system)。

奔驰先生发明第一辆内燃机汽车的时候,车上并没有蓄电池,也没有电气设备,车子也非常简陋。


第一辆量产汽车就是这样-Benz Patent-Motorwagen

1918年汽车首次引入了蓄电池,随着起动机的诞生,1920年蓄电池获得了广泛应用,当时蓄电池的电压等级是6V,并且正极接地。由于内燃机排量的增加以及高压缩比内燃机的出现,6V蓄电池已经不能满足功率需求,1950s电压等级开始向12V进化,一直到现在,12V电压系统已经统治了60多年。

1988年,SAE(Society of Automotive Engineers)提议把标准电压提高至42V。由于当时的技术水平,以及电气零部件替换的高昂费用,汽车企业并没有积极推进实施,即使随着电气设备的增加,电池已经不能满足车身设备的功率需求的情况下,汽车企业采取了切断大功率负载的方法来降低电池的负荷。42V并没有得到推广,至今汽车依然是12V系统。

  • 48V系统的提出

12V电压系统在引入启停机构之后,基本已经达到了功率输出极限,如果在12V电压下引入轻混系统,功率需求在10kW~15kW左右,这样的电压下电池的输出电流高达1000A,显然行不通。

2011年,Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen联合推出48V系统,以满足日益增长的车载负载需求,更重要的是为了满足2020年严格的排放法规。并在随后发布了48V系统规范LV148。

LV 148规定的电压范围

至于为什么选择48V:

1. 技术进步通常以指数形式增长;

2. 60V是安全电压,也就是说只要低于60V的电压不需要采取额外的安全防护措施,48V电池的充电电压最高56V,已经很接近60V,即48V电池电压是安全电压下的最高电压等级了。

各国排放目标

在排放法规中,欧盟要求最为严格,到2020年百公里油耗要降至4L,每公里二氧化碳排放低至95g。显然单纯靠提高发动机的燃油效率达到排放目标基本是不可能完成的任务,汽车混动化,纯电动化是最佳技术路线了。

纯电动化虽然是汽车的终极目标,但是由于高成本以及续航问题,无法在短期内大量普及。

48V轻混系统相比高压混动系统而言,成本更低,却可以达到高压混动系统(电池电压>100V)大部分节能效果,按照德尔福的测算,48V轻混系统是高压轻混系统成本的30%,能达到高压轻混系统70%的节能效果。

  • 48V轻混系统的优点:

1. 低于60V安全电压,不需要采取额外的电压防护,相对高压混动系统,成本更低;

2. 相对于12V系统,相同功率下工作电流只有1/4,损耗只有12V系统的1/16;

3. 由于BSG/ISG的电功率辅助,可以进一步缩小发动机的体积,进而降低排放;

4. 可以将传统发动机上的高负载附件电动化,比如空调压缩机、冷却水泵、真空泵等,降低发动机的负载,即使在发动机关闭的情况下,这些设备也能工作;

5. 将车载电器工作电压提升到48V,可以进一步降低损耗,同时可以降低线束外径;

6. 可以支持更大功率的车载设备。

7. 可以涡轮电动化,进一步提高发动机的效率,并且不会有涡轮增压器延迟现象;

8. BSG/ISG点火时间更短,更低噪音和更小震动。

9. 48V Belt Starter Generator (BSG) 容易替代原有的12V Belt Starter Generator,无需大幅更改设计即可配套。

  • 48V轻混系统的缺点:

    1. 电压的升高,电磁兼容要求会更高;

2. 48V电压下会存在电弧,是风险隐患,需要处理;

3. 原来的12V车载设备迁移到48V需要重新开发以及测试,代价巨大并且周期长;

4. 比12V start-stop系统成本高,节能效果不如高压混动系统。

  • 48V系统技术方案

48V轻混系统并不是直接将系统标准电压直接提至48V,而是保留了原来12V电气系统,增加了一套48V的轻混系统。


48V轻混基本构架(from delphi)


48V系统: 12V系统的升级

48V轻混系统电气构架

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、48V BSG(belt-driven starter generator)/ISG(intergrated starter generator)、电动增压器(可选配置)、电池管理系统

根据BSG的位置可以分为:

48V BSG+P0

BSG处于P0位置(位于发动机的前侧),这种布置对整车改动最小,只需用BSG替换传统的起动机,并且可以却掉传统的发电机。但是BSG无法和发动机分开,在能量回收阶段,即使关闭喷油系统但发动机还在运转,发动机的拖拽阻力直接减少了可回收的能量。NEDC工况下, 可以减少13%的二氧化碳排放


48V BSG+P2

BSG/ISG处于P2的位置(位于发动机与变速箱之间),能量回收阶段可以彻底断开发动机,进一步降低25%左右的二氧化碳排放。并且可以实现纯电驱动,但需要双离合使电机能与发动机以及变速箱分离。BSG在P2位置可以进一步升级成ISG,去掉皮带的传动,集成度更高。

  • 48V轻混系统工作模式

自动启停(START/STOP):等红绿灯,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(RECUPERATION):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7%的油耗。

动力辅助(BOOST):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。

航行(SAILING/ACTIVE ENGINE-OFF COASTING):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。位于P2位置的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(COASTING):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。


P0构架(BSG位于发动机前侧)工作模式

P2构架(BSG位于发动机和变速箱之间)工作模式

  • 48V系统核心零部件供应商

    博世(Bosch)

博世提供了48V系统的整套解决方案:BRS系统(Boost Recuperation System),并计划2017年量产。相信国内大部分主机厂都会傍它了。

Bosch BSG方案

▶ 风冷爪极电机,集成驱动器和风扇

▶ 最高效率88%

▶ 启动转矩:最大56Nm(换算到曲轴上大约160Nm)

▶ 能量回收输出功率: 最大11.5 kW @ 48 V

▶ 电动模式机械功率输出:最大9.7kW @ 48V

▶ 重量: ~ 8.5 kg

▶ 尺寸 [Ø x L]: 148 x 169 mm


▶ 48V/12V双向多相buck-boost  DC/DC Converter

▶ 最高效率 (≥ 96%)

▶ 额定电压:48/12 V

▶ 额定电压下连续输出功率:3kW

▶ 重量:2.7 kg

▶ 尺寸: 220 x 183 x 75 mm

2016年5月21日,FIA Electric, New Energy Commission, German Motorsport Association (DMSB)在柏林联合发布采用博世BRS系统的卡丁车,装备2台BSG,总功率20kW,百公里加速不到5秒。可以认为这是博世对明年进行量产的BRS系统进行的应用测试。


很想玩,有没有?

    大陆(Continental)&舍弗勒(Shaeffler):

    虽然舍弗勒并购大陆失败,但当前仍然持有大陆46%的股份,所以大陆和舍弗勒在48V轻混系统的合作也顺理成章。

大陆和舍弗勒的48V系统称为GTC( Gasoline Technology Car),目前已经开发到了第二代。


GTC I采用P0构架,能降低13%的二氧化碳排放


GTC II与福特建立了紧密的合作关系

GTC II基于P2构架的整车布局


GTC II基于P2构架的BSG

第二代GTC II采用了P2构架,将BSG集成在发动机和变速箱之间,两个离合器,可以将发动机与传动系统彻底分离,也可以电机独立驱动。在航行/滑行阶段可关闭并分离发动机,以实现更长的滑行距离和回收更多能量。GTC II可以降低25%的油耗。


大陆&舍弗勒GTC系统

    按照大陆&舍弗勒的计划,2016年投产GTCI,2020投产GTCII,2025年将GTCII中的BSG升级为ISG,取消皮带,电机升级为永磁电机(目前采用的是感应电机BSG)。

    德尔福Delphi

    德尔福当前推出的是基于P0构架的48V BSG系统,并在本田Civic 1.6L柴油车上进行了验证,降低二氧化碳排放超过10%。


德尔福48V系统测试样车

2016年4月,德尔福宣布已经和2个客户达成合作,并计划在2017年量产48V系统。

德尔福48V系统

法雷奥(Valeo)

    法雷奥为48V轻混系统提供了核心零部件,包括48V电动增压器、BSG、离合器、DCDC。


法雷奥的48V系统核心部件

AVL:

AVL提供了48V系统解决方案,做整个系统集成,并提供标定、控制策略以及样车试制服务。

AVL测试样车

AVL的系统集成服务

    

    48V系统电池:

和纯电动类似,48V轻混系统方案基本采用锂电池作为储能动力电池,江森自控、日立、SAFT、A123等均推出了针对48V轻混的专用电池。

2016年4月20日,日立发布的48V系统锂离子电池

江森自控48V锂离子电池

SAFT的48V锂电池,最大输出功率13kW

除了锂离子电池,European Advanced Lead-Acid Battery Consortium (EALABC) 也在积极推动高功率密度铅酸电池在48V系统中的应用,铅酸电池成本更低,且废旧电池可100%回收。在-30度也能正常工作,不需要主动散热,并且不需要昂贵的电池管理系统。锂电池功率密度高,但低温特性非常差,额外需要热管理系统来保持适宜的工作温度,另外还需要复杂的电池管理系统。

EALABC正在和AVLSchrick, Controlled Power Technologies, East Penn, Exide, Faurecia, Furukawa,Innovate UK (previously known as the UK Technology Strategy Board), Mubea,Provector, Ricardo, University of Nottingham, US Department of Energy, Valeo合作,推动高功率密度铅酸电池在48V系统中的应用。


搭载铅酸电池的48V系统测试样车

    48V轻混系统未来:

除欧洲车企积极推动之外,福特,现代,起亚也表示会开发48V的车型,通用表示会在适当的时候引入48V系统。

国内,吉利、一汽、比亚迪、长城确认要引入48V系统。

欧洲是未来48V系统的主战场,欧洲车企以及零部件供应商比较乐观,推动非常积极,如果欧洲推广顺利,相信中国也会紧随其后。

根据IHS预测,2025年48V系统装车量1100万辆

IHS预测2025年48V轻混和高压混动将平分天下

当然这是非常乐观的预测。一方面有排放法规的推动,另一方面有低成本优势。

48V轻混系统是成本和节能的折中,燃油经济性比不上高压混动系统,成本优势能持续多久取决于高压混动系统留给48V多少时间。能否普及,就看欧洲2017/2018年是否能引爆这套系统,我们拭目以待吧!(以上纯属个人观点)

本文转载自:EVMAN,作者:周铁军

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