深度分析48V車(chē)載電氣系統(tǒng)以及48V輕混系統(tǒng)

這次我們的主題是汽車(chē)48V系統(tǒng)，包括48V車(chē)載電氣系統(tǒng)以及48V輕混系統(tǒng)(48V mild hybrid system)。

奔馳先生發(fā)明第一輛內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的時(shí)候，車(chē)上并沒(méi)有蓄電池，也沒(méi)有電氣設(shè)備，車(chē)子也非常簡(jiǎn)陋。

第一輛量產(chǎn)汽車(chē)就是這樣-Benz Patent-Motorwagen

1918年汽車(chē)首次引入了蓄電池，隨著起動(dòng)機(jī)的誕生，1920年蓄電池獲得了廣泛應(yīng)用，當(dāng)時(shí)蓄電池的電壓等級(jí)是6V，并且正極接地。由于內(nèi)燃機(jī)排量的增加以及高壓縮比內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，6V蓄電池已經(jīng)不能滿(mǎn)足功率需求，1950s電壓等級(jí)開(kāi)始向12V進(jìn)化，一直到現(xiàn)在，12V電壓系統(tǒng)已經(jīng)統(tǒng)治了60多年。

1988年，SAE（Society of Automotive Engineers）提議把標(biāo)準(zhǔn)電壓提高至42V。由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，以及電氣零部件替換的高昂費(fèi)用，汽車(chē)企業(yè)并沒(méi)有積極推進(jìn)實(shí)施，即使隨著電氣設(shè)備的增加，電池已經(jīng)不能滿(mǎn)足車(chē)身設(shè)備的功率需求的情況下，汽車(chē)企業(yè)采取了切斷大功率負(fù)載的方法來(lái)降低電池的負(fù)荷。42V并沒(méi)有得到推廣，至今汽車(chē)依然是12V系統(tǒng)。

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48V系統(tǒng)的提出

12V電壓系統(tǒng)在引入啟停機(jī)構(gòu)之后，基本已經(jīng)達(dá)到了功率輸出極限，如果在12V電壓下引入輕混系統(tǒng)，功率需求在10kW~15kW左右，這樣的電壓下電池的輸出電流高達(dá)1000A，顯然行不通。

2011年，奧迪, 寶馬, 保時(shí)捷, Volkswagen, Daimler聯(lián)合推出48V系統(tǒng)，以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的車(chē)載負(fù)載需求，更重要的是為了滿(mǎn)足2020年嚴(yán)格的排放法規(guī)。并在隨后發(fā)布了48V系統(tǒng)規(guī)范LV148。

LV 148規(guī)定的電壓范圍

至于為什么選擇48V：

1.技術(shù)進(jìn)步通常以指數(shù)形式增長(zhǎng)；

2.60V是安全電壓，也就是說(shuō)只要低于60V的電壓不需要采取額外的安全防護(hù)措施，48V電池的充電電壓最高56V，已經(jīng)很接近60V，即48V電池電壓是安全電壓下的最高電壓等級(jí)了。

各國(guó)排放目標(biāo)

在排放法規(guī)中，歐盟要求最為嚴(yán)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。顯然單純靠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率達(dá)到排放目標(biāo)基本是不可能完成的任務(wù)，汽車(chē)混動(dòng)化，純電動(dòng)化是最佳技術(shù)路線了。

純電動(dòng)化雖然是汽車(chē)的終極目標(biāo)，但是由于高成本以及續(xù)航問(wèn)題，無(wú)法在短期內(nèi)大量普及。

48V輕混系統(tǒng)相比高壓混動(dòng)系統(tǒng)而言，成本更低，卻可以達(dá)到高壓混動(dòng)系統(tǒng)（電池電壓>100V）大部分節(jié)能效果，按照德?tīng)柛５臏y(cè)算，48V輕混系統(tǒng)是高壓輕混系統(tǒng)成本的30%，能達(dá)到高壓輕混系統(tǒng)70%的節(jié)能效果。

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48V輕混系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1. 低于60V安全電壓，不需要采取額外的電壓防護(hù)，相對(duì)高壓混動(dòng)系統(tǒng)，成本更低；

2. 相對(duì)于12V系統(tǒng)，相同功率下工作電流只有1/4，損耗只有12V系統(tǒng)的1/16；

3. 由于BSG/ISG的電功率輔助，可以進(jìn)一步縮小發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，進(jìn)而降低排放；

4. 可以將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上的高負(fù)載附件電動(dòng)化，比如空調(diào)壓縮機(jī)、冷卻水泵、真空泵等，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉的情況下，這些設(shè)備也能工作；

5. 將車(chē)載電器工作電壓提升到48V，可以進(jìn)一步降低損耗，同時(shí)可以降低線束外徑；

6. 可以支持更大功率的車(chē)載設(shè)備。

7. 可以渦輪電動(dòng)化，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，并且不會(huì)有渦輪增壓器延遲現(xiàn)象；

8. BSG/ISG點(diǎn)火時(shí)間更短，更低噪音和更小震動(dòng)。

9.48V Belt Starter Generator (BSG) 容易替代原有的12V Belt Starter Generator，無(wú)需大幅更改設(shè)計(jì)即可配套。

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48V輕混系統(tǒng)的缺點(diǎn)

1. 電壓的升高，電磁兼容要求會(huì)更高；

2. 48V電壓下會(huì)存在電弧，是風(fēng)險(xiǎn)隱患，需要處理；

3. 原來(lái)的12V車(chē)載設(shè)備遷移到48V需要重新開(kāi)發(fā)以及測(cè)試，代價(jià)巨大并且周期長(zhǎng)；

4. 比12V start-stop系統(tǒng)成本高，節(jié)能效果不如高壓混動(dòng)系統(tǒng)。

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48V系統(tǒng)技術(shù)方案

48V輕混系統(tǒng)并不是直接將系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓直接提至48V，而是保留了原來(lái)12V電氣系統(tǒng)，增加了一套48V的輕混系統(tǒng)。

48V輕混基本構(gòu)架（from delphi）

48V系統(tǒng): 12V系統(tǒng)的升級(jí)

48V輕混系統(tǒng)電氣構(gòu)架

48V輕混系統(tǒng)可以看成是12V啟停系統(tǒng)的升級(jí)版，增加了48V儲(chǔ)能電池、48V/12V雙向DCDC、48V BSG(belt-drivenstarter generator)/ISG(intergrated starter generator)、電動(dòng)增壓器（可選配置）、電池管理系統(tǒng)。

根據(jù)BSG的位置可以分為：

48V BSG+P0

BSG處于P0位置（位于發(fā)動(dòng)機(jī)的前側(cè)），這種布置對(duì)整車(chē)改動(dòng)最小，只需用BSG替換傳統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)，并且可以卻掉傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)。但是BSG無(wú)法和發(fā)動(dòng)機(jī)分開(kāi)，在能量回收階段，即使關(guān)閉噴油系統(tǒng)但發(fā)動(dòng)機(jī)還在運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的拖拽阻力直接減少了可回收的能量。NEDC工況下， 可以減少13%的二氧化碳排放。

48V BSG+P2

BSG/ISG處于P2的位置（位于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間），能量回收階段可以徹底斷開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步降低25%左右的二氧化碳排放。并且可以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)，但需要雙離合使電機(jī)能與發(fā)動(dòng)機(jī)以及變速箱分離。BSG在P2位置可以進(jìn)一步升級(jí)成ISG，去掉皮帶的傳動(dòng)，集成度更高。

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48V輕混系統(tǒng)工作模式

自動(dòng)啟停(START/STOP)：等紅綠燈，車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，48V大容量電池利用存儲(chǔ)的能量維持車(chē)載電氣的正常運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)可以隨時(shí)快速啟動(dòng)。

能量回收(RECUPERATION)：能量回收可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并存儲(chǔ)到電池中。僅能量回收功能就可以降低大約7%的油耗。

動(dòng)力輔助(BOOST)：混動(dòng)系統(tǒng)可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，在提速階段，電機(jī)的輔助動(dòng)力能彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的不足，實(shí)現(xiàn)不損失動(dòng)力的情況下降低排放。

航行（SAILING/ACTIVE ENGINE-OFF COASTING)：在車(chē)輛恒速運(yùn)行，并且電池電量充足的情況下，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)，依靠電機(jī)來(lái)維持車(chē)輛運(yùn)行。電機(jī)提供的動(dòng)力用來(lái)抵消行駛阻力以及發(fā)動(dòng)機(jī)的拖拽阻力。位于P2位置的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(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，僅靠電機(jī)保持車(chē)輛巡航。當(dāng)再次踩下油門(mén)踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)迅速啟動(dòng)，平滑切入到當(dāng)前車(chē)速。

滑行(COASTING)：在松開(kāi)油門(mén)，車(chē)輛處于滑行階段，離合器分離發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械連接，徹底關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的行駛距離。相當(dāng)于傳統(tǒng)車(chē)輛空檔滑行，只不過(guò)傳統(tǒng)車(chē)輛在切換到空檔滑行之后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在降到怠速時(shí)依然需要噴油來(lái)維持發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

P0構(gòu)架（BSG位于發(fā)動(dòng)機(jī)前側(cè)）工作模式

P2構(gòu)架（BSG位于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間）工作模式

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48V系統(tǒng)核心零部件供應(yīng)商

博世（Bosch）

博世提供了48V系統(tǒng)的整套解決方案：BRS系統(tǒng)（Boost Recuperation System），并計(jì)劃2017年量產(chǎn)。相信國(guó)內(nèi)大部分主機(jī)廠都會(huì)傍它了。

Bosch BSG方案

? 風(fēng)冷爪極電機(jī)，集成驅(qū)動(dòng)器和風(fēng)扇

? 最高效率88%

? 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：最大56Nm（換算到曲軸上大約160Nm）

? 能量回收輸出功率: 最大11.5 kW @ 48 V

? 電動(dòng)模式機(jī)械功率輸出：最大9.7kW @ 48V

? 重量： ~ 8.5 kg

? 尺寸 [? x L]： 148 x 169 mm

? 48V/12V雙向多相buck-boost DC/DC Converter

? 最高效率(≥ 96%)

? 額定電壓：48/12 V

? 額定電壓下連續(xù)輸出功率：3kW

? 重量：2.7 kg

? 尺寸： 220 x 183 x 75 mm

2016年5月21日，F(xiàn)IA Electric, New Energy Commission, German Motorsport Association (DMSB)在柏林聯(lián)合發(fā)布采用博世BRS系統(tǒng)的卡丁車(chē)，裝備2臺(tái)BSG，總功率20kW，百公里加速不到5秒?？梢哉J(rèn)為這是博世對(duì)明年進(jìn)行量產(chǎn)的BRS系統(tǒng)進(jìn)行的應(yīng)用測(cè)試。

大陸（Continental）&舍弗勒（Shaeffler）：

雖然舍弗勒并購(gòu)大陸失敗，但當(dāng)前仍然持有大陸46%的股份，所以大陸和舍弗勒在48V輕混系統(tǒng)的合作也順理成章。

大陸和舍弗勒的48V系統(tǒng)稱(chēng)為GTC（Gasoline Technology Car），目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)到了第二代。

GTC I采用P0構(gòu)架，能降低13%的二氧化碳排放

GTC II與福特建立了緊密的合作關(guān)系

GTCII基于P2構(gòu)架的整車(chē)布局

GTC II基于P2構(gòu)架的BSG

第二代GTC II采用了P2構(gòu)架，將BSG集成在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間，兩個(gè)離合器，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)徹底分離，也可以電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。在航行/滑行階段可關(guān)閉并分離發(fā)動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的滑行距離和回收更多能量。GTC II可以降低25%的油耗。

大陸&舍弗勒GTC系統(tǒng)

按照大陸&舍弗勒的計(jì)劃，2016年投產(chǎn)GTCI，2020投產(chǎn)GTCII，2025年將GTCII中的BSG升級(jí)為ISG，取消皮帶，電機(jī)升級(jí)為永磁電機(jī)（目前采用的是感應(yīng)電機(jī)BSG）。

德?tīng)柛elphi

德?tīng)柛．?dāng)前推出的是基于P0構(gòu)架的48V BSG系統(tǒng)，并在本田Civic 1.6L柴油車(chē)上進(jìn)行了驗(yàn)證，降低二氧化碳排放超過(guò)10%。

德?tīng)柛?8V系統(tǒng)測(cè)試樣車(chē)

2016年4月，德?tīng)柛Ｐ家呀?jīng)和2個(gè)客戶(hù)達(dá)成合作，并計(jì)劃在2017年量產(chǎn)48V系統(tǒng)。

德?tīng)柛?8V系統(tǒng)

法雷奧（Valeo）

法雷奧為48V輕混系統(tǒng)提供了核心零部件，包括48V電動(dòng)增壓器、BSG、離合器、DCDC。

法雷奧的48V系統(tǒng)核心部件

AVL:

AVL提供了48V系統(tǒng)解決方案，做整個(gè)系統(tǒng)集成，并提供標(biāo)定、控制策略以及樣車(chē)試制服務(wù)。

AVL測(cè)試樣車(chē)

AVL的系統(tǒng)集成服務(wù)

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48V系統(tǒng)電池

和純電動(dòng)類(lèi)似，48V輕混系統(tǒng)方案基本采用鋰電池作為儲(chǔ)能動(dòng)力電池，江森自控、日立、SAFT、A123等均推出了針對(duì)48V輕混的專(zhuān)用電池。

2016年4月20日，日立發(fā)布的48V系統(tǒng)鋰離子電池

江森自控48V鋰離子電池

SAFT的48V鋰電池，最大輸出功率13kW

除了鋰離子電池，European Advanced Lead-Acid Battery Consortium (EALABC) 也在積極推動(dòng)高功率密度鉛酸電池在48V系統(tǒng)中的應(yīng)用，鉛酸電池成本更低，且廢舊電池可100%回收。在-30度也能正常工作，不需要主動(dòng)散熱，并且不需要昂貴的電池管理系統(tǒng)。鋰電池功率密度高，但低溫特性非常差，額外需要熱管理系統(tǒng)來(lái)保持適宜的工作溫度，另外還需要復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)。

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，推動(dòng)高功率密度鉛酸電池在48V系統(tǒng)中的應(yīng)用。

搭載鉛酸電池的48V系統(tǒng)測(cè)試樣車(chē)

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48V輕混系統(tǒng)未來(lái)

除歐洲車(chē)企積極推動(dòng)之外，福特，現(xiàn)代，起亞也表示會(huì)開(kāi)發(fā)48V的車(chē)型，通用表示會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候引入48V系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)，吉利、一汽、比亞迪、長(zhǎng)城確認(rèn)要引入48V系統(tǒng)。

歐洲是未來(lái)48V系統(tǒng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，歐洲車(chē)企以及零部件供應(yīng)商比較樂(lè)觀，推動(dòng)非常積極，如果歐洲推廣順利，相信中國(guó)也會(huì)緊隨其后。

根據(jù)IHS預(yù)測(cè)，2025年48V系統(tǒng)裝車(chē)量1100萬(wàn)輛

IHS預(yù)測(cè)2025年48V輕混和高壓混動(dòng)將平分天下

當(dāng)然這是非常樂(lè)觀的預(yù)測(cè)。一方面有排放法規(guī)的推動(dòng)，另一方面有低成本優(yōu)勢(shì)。