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成本低卻更節能 解析 48V 輕度混動系統

全世界正在經歷一場前所未有的能源變革,這不是什么秘密。世界各地的主機廠必須拿出最最先進的技術來應對嚴苛的排放標準,以我國為例,要求在 2020 年新車的平均百公里油耗不超過 5L 。因此,逐漸換裝新能源成了擺在他們面前的最好選擇。

但結合目前的情況實事求是地說,由于各方面因素的局限,新能源汽車還沒到徹底取代燃油車的時候。同時,傳統汽車廠商們當然不愿意輕易放棄花費大量心血設計完成的燃油汽車。面對嚴格的限排政策,他們急需一個既不把燃油車推倒重來、又能有效降低油耗的好辦法,最終選中了 48V 輕度混合動力系統。

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「圖」今年 4 月即將在國內上市的奧迪 A8L ,搭載了 48V 輕混系統

一、什么是 48V 輕度混合動力系統?

48V 混合動力又被稱作 Mild Hybrid (輕混),雖然沒有明確的規范劃分,但在世界汽車行業中,絕大多數從業者習慣把豐田、福特、通用這類混合動力技術稱為“Strong Hybrid”(也就是我們通常廣義泛指的混合動力技術,以下簡稱廣義混合動力),像自動啟停這種僅需 12V 電壓就可以帶動的技術稱為“Micro Hybrid(微混)”。

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48V 混合動力的基本原理與豐田福特等車企的廣義混合動力技術一樣,都是通過電動機與內燃機并聯運行,以提供額外的驅動力,同時兼具動能回收功能。但不同的是,48V 混合動力相比廣義混合動力技術占地更小,重量更輕,成本更低,同時在部署的難度上也更加容易。而相比 12V 電壓的 Micro Hybrid ,48V混合動力技術則具有更好的節油效果和更強的功能性。

二、為什么普遍使用的是 48V 輕混?

細心的朋友會發現,如今市面上許多車型都采用 48V 輕混,仿佛達成了某種默契。要說引領 48V風潮的,其實是奔馳、寶馬、大眾、奧迪和保時捷這 5 家車企。早在 2011 年 6 月,他們就發表聲明,宣布將應用 48V 系統,不久后又發布 48V 系統標準,稱為 LV148 。

那么問題來了,為什么是 48V ,而不是其他數值的電壓呢?

針對這個問題,我們得先從一般車輛上的 12V 電壓說起。我們知道,功率=電壓×電流,如果要輸出輕混所需的 10kW~20KW功率,使用 12V 的話則電池的輸出電流需要達到 1000A,顯然行不通。于是,提高電壓就成了最可行的辦法。最終綜合成本和效果來權衡,選中了 48V 。

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電壓增高,可以帶動更大功率的電器,如電子渦輪、主動懸架系統、電助力轉向,當然還有電動機,把普通燃油車變成輕度混合動力車。雖然只是輕混,從節油效果來看一點也不含糊,平時在燃油車里常見的 12V 自動啟停系統節油效果為 5%-6% ,而48V輕混系統是它的三倍,達到 14%-17% ,油電混合動力系統的家有效果通常在 17%-21% 。而在成本上,48V 輕混系統只有油電混合系統的 30% ,價格便宜量又足,形容 48V 為事半功倍都不夸張。

需要注意的是, 48V 輕混系統的電動機比混動系統的電動機小,不足以讓汽車在純電狀態下加速,仍需搭配發動機同時使用。

三、48V 輕混系統的電氣架構

48V 輕混系統可以看成是 12V 啟停系統的升級版,增加了 48V 儲能電池、48V/12V 雙向 DCDC 變換器、48V BSG 輕混系統/ISG(汽車發動發電一體機)、電動增壓器(可選配置)、電池管理系統等。

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然而針對于 48V 系統并不是完全 48V 化,為了提高系統兼容性,同時降低推廣難度,現在業界推出的主流方案都是 12V+48V ,比直接上 48V 更容易實現。即保留了原先的 12V 系統,在 12V 系統上擴展了相對應的對于負載大的用 48V 來驅動。

四、48V 輕混系統的工作原理

12V 系統升級到相對應的48V系統后,除了自動啟停功能之外,還具備了發動機停機滑行、滑行與制動能量回收、加速助力和電巡航功能等,升級方向是朝著優化駕駛體驗和提高節能效率去的,附帶的,電壓增大,還可以為車輛內部的電子設備提供更多的功率。

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「圖」博世的 48V 輕混系統原理

在不同的工作模式下,48V 輕混系統會有不同的表現。

自動啟停:如等紅綠燈時,車輛靜止狀態下,發動機處于關閉狀態,48V 大容量電池利用存儲的能量維持車載電氣的正常運行,發動機可以隨時快速啟動。

能量回收:能量回收可以將動能轉化為電能,并存儲到電池中。僅能量回收功能就可以降低大約 5%-7% 的油耗。

加速輔助:混動系統可以減小發動機的排量,在提速階段,電機的輔助動力能彌補發動機動力的不足,實現不損失動力的情況下降低排放。

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「圖」各種工作狀態的節能效果

巡航:在車輛恒速運行,并且電池電量充足的情況下,關閉發動機噴油系統,依靠電機來維持車輛運行。電機提供的動力用來抵消行駛阻力以及發動機的拖拽阻力。BSG/ISG在高速巡航階段,電能充足的情況下,可以徹底分離且關閉發動機,僅靠電機保持車輛巡航。當再次踩下油門踏板,發動機會迅速啟動,平滑切入到當前車速。

滑行:在松開油門,車輛處于滑行階段,離合器分離發動機和傳動系統的機械連接,徹底關閉發動機,實現更長的行駛距離。相當于傳統車輛空檔滑行,只不過傳統車輛在切換到空檔滑行之后,發動機轉速在降到怠速時依然需要噴油來維持發動機的運行。

五、48V 輕混系統的優、劣勢有哪些?

相對于 12V 電系統和廣義的混合動力系統,48V系統擁有比較明顯的優勢:

更加安全:在我們從小學到的物理學知識中,一直都認為 36V 以下才是安全電壓。但在高電壓的電動汽車當中,這個安全值并不科學。一方面人體電阻的阻值存在很大的個體差異,胖瘦高矮男女老少阻值都不相同。另一方面人類所處的環境也會對人體阻值產生影響,潮濕的夏天人體阻值會變小,而在干燥的冬天阻值則會增大。根據多方面因素綜合考慮,目前國際上通常認為 60V 以下的直流電壓和 25V 以下的交流電壓屬于安全電壓。

成本低廉:48V 混合動力本身標稱電壓就在 60V 以下,即使算上由于 SOC 較高時導致的電壓波動,48V 混合動力系統的電壓峰值也不會超過 58V ,所以不需要采取額外的電壓防護措施(許多國家規定電壓超過 60V 需安裝防護措施),相對與上面所說的“ Strong Hybrid ”來說,成本更低。

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通用性強:48V 系統可兼容更多不同的用電設備,比如如今車載領域越來越多的娛樂化大屏和復雜的汽車中控系統。同時,48V提供更大容量的蓄電池,可以將傳統內燃機汽車上依靠發動機來負載的空調壓縮機、冷卻水泵等設備通過電池來負載,這樣做不僅能有效降低發動機的負荷,也可以在發動機關閉的情況下使用這些大功率設備。

節能減排:由于 BSG 技術和 ISG 技術的幫助,48V 混合動力系統可以進一步縮小發動機的體積,進而降低排放。同時,利用電動渦輪來替代機械渦輪,還能進一步提高發動機的效率。48V 混合動力系統可以實現滑行啟停、動能回收、輔助加速等功能,有效避免了燃油的不必要消耗。相比于廣義混合動力汽車,48V 混合動力系統僅需要 30% 的成本,可以達到 70% 左右的效果。從性價比方面來說相當劃算。

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「圖」奧迪 A8L 搭載的 48V 輕混系統

同樣的,相比優勢,它的劣勢也十分明顯:

1、48V 電壓相比 12V 電壓更容易產生電弧的問題,如果長期熱插拔可能會影響電子設備的壽命。

2、即便比混合動力系統的成本低了不少,但 48V 混合動力系統帶來的車載設備全面更新還是會影響最終車輛的終端售價。

六、為什么歐洲人選擇 48V 而美國人選 90V ?

其實綜合上文提到的 48V 的優勢,不難看出節約成本是其最大的優點。歐洲法規規定 60V 以上才是高壓,所以 48V 可以認為是低壓系統,不需要做高壓保護,從而省去很多成本。歐洲人一般精打細算,非常注重成本,特別是在 48V 系統應用比較成熟的情況下,本身就具備一定的成本優勢。因此歐洲車企大都選擇 48V 就很容易理解了。

但要從用戶體驗上來看,48V 是不如 90V 的。首先是省油的幅度,根據通用內部的對比試驗,90V 輕混系統能夠在 48V 的基礎上,再節約7%的油耗。具體到車型上,采用 90V 輕混系統的凱迪拉克 XT5 28E ,在不改變動力結構的情況下,可以在啟停階段實現純電驅動,在加速階段與發動機同時工作,平順扭矩和提升加速,更能實現在平穩駕駛的同時實現制動能量回收,從而實現了很高的效率。

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「圖」凱迪拉克 XT5 28E 采用 90V 輕混系統

另外,使用 90V 輕混的車輛,NVH 也普遍優于 48V 。通用的 90V 輕混系統采用了皮帶輪驅動發動機的方法,和經典 48V 系統的 ISG 相比,多了皮帶的緩沖,加上電機功率增加,可以實現快速啟動,有效減小啟停時的振動噪聲。而電壓升高可以使電機高速提供更大的扭矩,這樣的話,可以提供高速時的助力,并對換檔提供更大幫助,增加換檔平順性。

而在制造成本上,通用的標準規定 36V 以上就是高壓,需要加裝防護措施,因此 48V 和 90V 的成本不存在太大差異,美國人當然選擇效果更顯著的 90V 。

七、新能源車紅紅火火,48V 的前景如何

如今,越來越多的企業開始重視 48V 混合動力系統,除了各大汽車企業外,像博世、大陸集團、法雷奧、AVL 等供應商也已經發布了各自提供的 48V 解決方案,國內的比亞迪、長安、奇瑞等也在積極跟進。

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「圖」48V 混動系統目前更多使用在豪華車型上

相比廣義混合動力技術,48V 混合動力在很多國家和地區還不被視為“混合動力技術”,無法享受福利性政策和補貼。比如在中國汽車市場中,由于 48V 混合動力系統無法進入新能源目錄,自然也沒辦法享受新能源汽車牌照等優惠措施。這也導致這類技術目前僅在一些中高端豪華車型上進行了實裝來降低一定的油耗,比如奧迪 A8L 、奔馳 S 級等,而在中低端車型上由于成本的增加并不能受到太多消費者的認可。

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「圖」各大車企的 48V 輕混系統大規模量產時間

雖然也有很多主機廠開始布局 48V 混合動力的車型,絕大多數車企最終量產也都指向了2020年。或許對于這些廠商來說,48V只是一個暫時解決排放難題的“小技巧”,最終還是需要依靠廣義混合動力和純電動來進軍新能源市場。

總結:汽車巨頭們都不是傻子,他們不約而同地選擇了 48V ,說明其本身具有許多讓人難以拒絕的優點。在低成本的情況下,實現大幅度地節能,降低排放以滿足嚴苛的政策,這是 48V 最大的本領。因此, 48V 混合動力系統被認為擁有良好的發展前景,隨著電池技術的發展和動力系統的優化,未來的 48V 混合動力系統有可能被廣義混合動力系統收編,成為入門級車型上配備的低端混合動力配置。

但如果要談到中國市場, 48V 混合動力系統的未來值得擔憂。畢竟我國市場的未來大概率地屬于純電動汽車,連插混車型都只是時代變革的過渡產品,普通油電混動車更是連新能源車都不算,更何況一個小小的 48V 輕混呢?
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