48V电气系统 架起混合动力 迈向未来之桥梁

作者:Lindsay Brooke 文章来源:SAEInternational 发布时间:2017-02-28
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未来,为了应对CO2减排要求,并满足车辆电子电气子系统与辅助功如能“吸血鬼”一般不断增加的用电需求,新的48V技术将迎来大规模普及。


德尔福的48V电系的布局示意图(如图所示)。未来,48V电系将成为多种新型汽车电子电气功能的关键使能技术。

当我驾驶着一辆混动林肯MKZ轿车飞驰在(美国)75号州际公路公路时,我感觉自己好像漂浮在半空之中。这是由于车辆内燃发动机已经进入关闭状态,完全是在电力的驱动下飞驰向前。在这条仿佛没有尽头的平坦公路上,MKZ的内燃发动机不再卖力地“旋转燃烧”,而只是静静的当作一名“乘客”。在这场简单电动车试驾中,我发现车辆的整体性能明显都取得了提升。

法雷奥(Valeo)北美工程研发主任Matti Vint博士从后座的笔记本电脑前探起身来问我,“现在我们是在‘航行模式’(Sailing Mode),对于一些不需要太多操作的路况,这种模式相当不错吧?”过去一周来,Vint博士一直在向各家感兴趣的厂商展示这辆装配了48V系统的林肯轿车。我回答说,“相当酷,”反正就是类似的感觉。

事实上,这种‘航行模式’(即在一些轻负载路况下,车辆的内燃机关闭,由混合动力的电动系统为车辆提供动力)只是法雷奥48/12V混合动力技术带给广大客户的献礼之一。另外一个重要优势就是帮助发动机“瘦身”。这样一来,系统就可以为车辆的常规传动总成提供缓冲,从而“屏蔽”扭矩变换器工作对车上人员的影响,即使是我这样喜欢猛踩油门的驾驶习惯,也不会给乘客带来太多不适。

48V电系还能为车辆提供更多扭矩,让我在法雷奥公司停车场上举行的WOT发布仪式中尽情驾驶,感受强劲动力带来的前轮摩擦:“先生,要给您的MKZ轿车来点野马GT的风味吗?”


在德尔福公司的本田思域48V电系演示车的后备箱中,我们可以看到一款直流-直流模块(左)、配电装置与气冷锂离子电池。

试驾结束后,Vint博士掀起车辆的引擎盖和后备箱盖,向我展示了法雷奥48V电系的内部构成。具体来说,这个电系采用了P0拓扑结构(即电机位于车辆的前端辅助驱动轴),我们可以在一个角落里看到系统的紧凑型液冷带动发电机(BSG)。Vint博士还介绍了法雷奥自己研发的e-supercharger超级增压器。作为48V电系的重要组成部分,该设备非常高效,可以提高米勒循环发动机的效率并同时优化混动车型的操控性能。车辆的后备箱中则安装了48V电系控制器、高效率(~96%)的双向直流/直流变换器,以及一款来自A123系统(A123 Systems)的紧凑型风冷锂离子电池(8 a.h)。

事实上,除了法雷奥,最近大陆集团(Continental)、德尔福(Delphi)、AVL、博格华纳(BorgWarner)及舍夫勒(Schaeffler)等多家大型供应商也在进行各种48V技术演示,因此这种配置我也见了很多。这些公司的工程师均表示,尽管尚未真正登陆量产车型,但所有采用48V电系的演示车辆均有不错表现,不仅NVH性能有所提升,车辆燃料经济性也最高可以提高12%。另外,博世(Bosch)、Ricardo、FEV等供应商也有已经投入市场或正在研发中的48V电系产品。

此外,由于48V系统的电流更小,因此可以采用更细的电缆,为车辆减重高达10kg,而这也有助于降低车辆的CO2排放。


法雷奥的48V电系技术演示车与MattiVint博士。在48V电系的支持下,这款车的燃料经济性与驾驶性能都有了一定提升。

满足“吸血鬼”的需求

行业预测公司IHS Markit资深分析师Christian Mueller表示,预计到2025年,全球每年将有1340万辆(占新车总量的10%)配备48V电系的新车投入市场,因此目前各家全球一级供应商都在奋力争取为各大车企供应48V电系的机会。Navigant Research公司的另一项近期研究结果也表明,低电压车辆电系的前景不容乐观;且预计到2025年,48V车型的全球销售量将达到900万辆,C级车有望成为48电系最大的市场。

“典型的低电压轻混系统没办法将车辆的CO2排放控制在每公里95g以内,”Mueller断言,“你必须选择插电式纯混合动力系统或大量应用BSG系统。48V系统可支持一些‘升级版’的车辆启停功能,比如在高速公路上进行‘航行’,或实现低速停车协助功能等。”

但48V系统的真正优势在于可以将车辆的电功率从2.5 kW提升到10 kW,让越来越多汽车动力系统以外的“用电大户”成功“落户”到车上,比如:电动助力转向系统(2kW)、电动压缩机(3kW - 7kW)、电动空调压缩机(3.5kW)、“智能”冷却泵(400W)、挡风玻璃加热器(700W)及电液制动器(900W)等。

电池制造企业江森自控(Johnson Controls)研发副总裁、福特汽车(Ford)前任混动系统工程师Mary Ann Wright表示,“以电动升压器(e-booster)、电动增压器(e-charger)及底盘主动控制系统为主的新一代汽车辅助系统用起电来就像“吸血鬼”一样贪婪。”

Wright表示,在48V电系架构下,此类子系统就可以使用48V线路网络的电力,从而间接降低车辆本身的燃耗,而与48V系统平行存在的12V系统则可继续负责车辆的基本负载用电要求。


作为奥迪首款量产48V车型,2017款SQ7采用了法雷奥提供的电动超级增压器(如图所示)。

为了让自己的产品在2017年率先登陆量产车型,各家供应商都已使出全力。大陆集团宣布,雷诺Scenic MPV将搭载自己的48V电系产品(及e-turbo);法雷奥也表示奥迪SQ7将使用其48V系统;梅赛德斯则发布消息,最近推出的系列发动机也将采用一款来自某家供应商的48V混动系统;大众集团下的宾利(Bentley)添悦SUV将采用舍夫勒的48V电系为车辆的主动防侧倾控制系统供电。

在去年秋天巴黎举行的投资者会议上,法雷奥高管指出,公司已经手握超过25份48V电系的采购合同,客户遍及中国、欧洲、印度与韩国;大陆的混合动力事业部总监RudolfStark表示,公司已经开始筹备48V系统的量产,届时将同时支持汽油和柴油车型,客户遍布北美、欧洲与中国等地区。Stark先生也同时预计,到2025年,全球20%的新车均将配备48V系统。


奥迪eROT动态底盘控制系统是未来车辆众多正在研发中的“用电大户”之一,需要48V系统的支持。

此外,未来还将出现更多围绕48V电系打造的创新技术。奥迪(Audi)的eROT(机电旋转)悬架阻尼器就将采用通过车轴上的48V电池供电,替代传统的液压冲击阻尼器。此外,这款设备可以充分回收阻尼器压缩与回弹过程中产生的热量,绝不放过每一丁点可以回收的能量。

奥迪的工程师认为,“用电大户”eROT系统可以协助车辆每公里减耗约0.7L。另外,传统的阻尼器会产生废热,而相较之下,eROT系统产生的能量则可以用于其他汽车功能。据了解,该系统预计将于2018年进入量产,为车辆提供大范围的压缩回弹支持优化,并同时保证车上人员的驾乘体验及操控感。


BMW的汽车电气化战略发展示意图。我们可以看到,未来车辆对功率的要求将越来越高。

系统成本500美元

在2015年SAE 混动&电动汽车研讨会上,福特动力总成亚太总监Mazen Hammoud博士指出,尽管无法提供真正的纯电动驾驶功能,但48V BSG型混动系统“在制动能量回收方面的表现更加平衡,性能也更佳,回收比例高达约60%。这将为车辆的启停系统提供有力保障。”

Navigant Research公司资深研究分析师Sam Abuelsamid表示,48V技术的最大优势可能在于,这种系统的成本绝对“划算”,仅用全混动系统约30%的成本即可提供后者70%的优势。Abuelsamid指出,“在持续减少燃耗与排放方面,48V电系是目前性价比最高的解决方案之一。”

现代汽车(Hyundai)替代燃料车辆工程总监Byung Ki Ahn博士也同意这一点,他向《汽车工程》表示,“48V电系的成本优势具有极大的吸引力,每个系统大约只要500美元。”

Ahn博士解释道,48V电系的燃油经济性提升“的确不如纯混动系统,但在满足各种政府规定方面还是划算的。”他说,“我们现在已经有了很多混动车型,但这些混动车型也无法满足所有的标准与法规,比如一些电动车强制规定及欧盟要求的每公里CO2排放不得超过95g的规定等。我们必须尝试所有的可能型,在这个意义上,48V也是我们的可能选项之一,这也正是我们正在进行的工作。”

目前,Ahn博士及其同事不得不面临更大的政策挑战,其中包括更加严格的WLTP(全球统一轻型车辆测试程序)要求。具体来说,新WLTP要求在目前12V启停系统实现的减排基础下,继续将CO2的排放降低二分之一,这比当下NEDC (新欧洲行驶循环)规定更加严格。不过对于供应商和汽车厂商来说,好消息是48V BSG系统将帮助他们满足如今更加注重真实驾驶环境的循环测试要求。


电池供应商已经开始研发48V系统专用的模块化储能解决方案。图为JCI公司专为48V电系打造镍钴锰酸锂(Li-NMC)电池。

专家猜测,未来非插电式混动车辆将受到48V系统的冲击最大。JCI公司的Wright认为,48V电系“凭借优异的成本与性能优势,将给未来所有的混动车辆带来挑战。”

未来,各家厂商还有意推出成本更高,但功能将进一步提升的48V电系。多家供应商已经开始研发采用P1至P4拓扑结构的产品。具体来说,在P1结构下,车辆电机位于曲轴前端;在P2结构下,车辆电机位于发动机与变速器之间;在P3结构下,车辆电机位于变速器后方;在P4结构下,车辆电机位于车辆后轴。混动汽车事业部总监Juergen Wiesenberger表示,大陆与舍弗勒联合开发的P2型48V电系可为车辆提供50km/h的最高车速,车辆的节油表现高达25%。


2017款雷诺ScenicMPV采用了雷诺与大陆合作研发的48V电系、硬件设备(见右下小图e-motor)及控制系统。

“大生意”

目前,供应商希望厂商能够直接在向自己采购完整的48V系统,而不是在这家买个电机,又到别家公司买个直流转换器。因此,各种完整48V系统应运而生。目前,法雷奥已经拥有多款48 V产品,包括基于48V BSG系统的基础款Hybrid 4 All;增加了电动超级增压器的e4Boost;以及在2016年巴黎车展上发布的增加了48V电动后轮驱动的e4Sport等。为了降低系统成本,法雷奥公司还将在2017年推出一款新的风冷BSG系统。

多位项目负责人在接受《汽车工程》采访时普遍表示,48V系统将成为轻混合电动车与纯电动车之间的“桥梁”技术。“48V电系是当今世界通往未来插电式混动世界的过渡推进技术。”IHS分析师Mueller表示,“但这个过渡到底将花费多长时间,特别是在美国等国家的燃料价格将在未来较长时间内持续保持低位这一市场背景之下?我们只能说,厂商将竭尽全力,在每个阶段达到这一阶段的法规要求。”

GKN传动系统全球产品技术副总裁Ray Kuczera博士认为,“48V电系是我们通向高压系统的‘桥梁过渡’技术。”他说,未来工程师“可能会利用48V电系为车辆后轴提供升压,具体就是给车辆增加48V电机和电池,为车辆提供‘航行’功能、额外的电力供应,当然还有一些能量回收功能。这是一项值得关注的技术,可以优化我们的车桥产品,因此我们可能成为48V电系的二级供应商。”

GKN公司业务发展主管Jochen Weiland认为,供应商一直在为延长内燃机型推进系统的使用寿命而进行多种努力。很大程度来说,48V电系也是在各家供应商的推动下发展起来的。Weiland表示,“正是出于这个原因,博格华纳、舍弗勒和大陆集团等供应商才一直努力推动48V系统的发展。在48V系统的保证下,他们就可以为自己的内燃发动机产品增加更多功能。”

博格华纳首席技术官Chris Thomas还认为,“我觉得48V电系不一定非得是当今混动车辆通向未来高电压电动车的‘桥梁’。一些汽车厂商也可能选择为旗下所有发动机和内燃机系统配备48V电系,而后仅推出少量混动车型以履行公司的CO2减排义务、满足CAFE标准要求。”

Thomas曾在去年11月份表示,对于博格华纳而言,快速崛起的48V电系代表着“一个巨大的商业机会,目前已经有3家不同厂商希望我们能在今年年底建成48V系统生产车间。”

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