路虎首搭萬(wàn)向輕混技術(shù)，汽車為何會(huì)愛(ài)上48V系統(tǒng)？
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2019-03-31 21:11
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近日，路虎正式發(fā)布了攬勝運(yùn)動(dòng)版HST官圖，并宣告此車型即將上市。這款車型最大亮點(diǎn)，就是搭載了全新的3.0L渦輪增壓直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)和萬(wàn)向一二三獨(dú)有的48V輕度混合動(dòng)力技術(shù)。
新車0-100Km/h加速為6.2s，極速225km/h，綜合油耗為9.3L/100km。采用了48V輕混等技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料效率提升20%的水平，使得車輛具備了更加出色的能效與動(dòng)態(tài)性能。
新款攬勝運(yùn)動(dòng)版HST
面對(duì)全球越來(lái)越嚴(yán)峻的環(huán)保問(wèn)題，各國(guó)積極出臺(tái)相關(guān)節(jié)能減排政策、法規(guī)。在傳統(tǒng)燃油車紛紛向新能源汽車轉(zhuǎn)型的浪潮下，各大主機(jī)廠必在技術(shù)跟市場(chǎng)之間尋求平衡。
48V輕混技術(shù)，從成本控制以及節(jié)能效果上來(lái)看，表現(xiàn)出極高的性價(jià)比，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，可以說(shuō)是當(dāng)前節(jié)油效果最為出色的動(dòng)力方案之一。
萬(wàn)向一二三48V系統(tǒng)，可協(xié)助車輛完成智能啟停、加速輔助以及制動(dòng)能量回收等功能，實(shí)現(xiàn)12-15%的節(jié)油率。該產(chǎn)品在高節(jié)油率和卓越動(dòng)力的極致體驗(yàn)方面，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。
自2013年，萬(wàn)向啟動(dòng)了48V項(xiàng)目，2016年實(shí)現(xiàn)了第一代48V電池系統(tǒng)量產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)上市的幾款微混車型搭載的48V系統(tǒng)，均是萬(wàn)向一二三出品。萬(wàn)向一二三匯聚綜合研發(fā)能力、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品可靠性以及成熟度等諸多方面的優(yōu)勢(shì)，在輕混技術(shù)領(lǐng)域，表現(xiàn)卓越。
截止2018年底，實(shí)現(xiàn)供貨或者簽訂定點(diǎn)協(xié)議的國(guó)內(nèi)外主流主機(jī)廠達(dá)到13家，成為主機(jī)廠不二選擇，市場(chǎng)占有率全球第一。
為了保證產(chǎn)品可持續(xù)的先進(jìn)性，公司加強(qiáng)研發(fā)投入，積極儲(chǔ)備迭代技術(shù)。新一代的48V系統(tǒng)，單體功率密度達(dá)到了6100W/kg，具備超高性能，集成電氣化其他功能。
該產(chǎn)品可支持更高的附加載荷和整車動(dòng)力性能的需求，預(yù)計(jì)將提高節(jié)油率至20%-25%。從而幫助各大主機(jī)廠，更加從容、有效的迎接法規(guī)挑戰(zhàn)和滿足更高的市場(chǎng)需求。
汽車為何會(huì)愛(ài)上48V系統(tǒng)
汽車在1918年引入蓄電池，到1920年逐漸普及，當(dāng)時(shí)的電池電壓是6V。后來(lái)，隨著內(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系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需求，于是在1950年引入了12V系統(tǒng)。
到了1988年，SAE（Society of Automotive Engineers）提議把標(biāo)準(zhǔn)電壓提高至42V，但是由于種種限制，響應(yīng)者寥寥。后來(lái)，即使隨著電氣設(shè)備的增加，電池已經(jīng)不能滿足車身設(shè)備的功率需求的情況下，汽車企業(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。
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，Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen聯(lián)合推出48V系統(tǒng)，以滿足日益增長(zhǎng)的車載負(fù)載需求，更重要的是為了滿足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。
為什么是48V呢？因?yàn)?0V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。
48V電源系統(tǒng)比12V電源系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存更多電量，在配備啟停系統(tǒng)的車上可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，減少出現(xiàn)電池電量過(guò)低而頻繁起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)充電的情況（如果不充電就無(wú)法起到發(fā)動(dòng)機(jī)了），從而避免浪費(fèi)過(guò)多的燃油。
當(dāng)然48V系統(tǒng)的出現(xiàn)并不是說(shuō)明12V系統(tǒng)已經(jīng)被淘汰，而是在保留之前12V系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加了一套48V系統(tǒng)來(lái)支持弱混和中混系統(tǒng)的。
此外，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架構(gòu)
標(biāo)準(zhǔn)48V系統(tǒng)由三大件組成：電機(jī)、鋰離子電池組以及DC-DC轉(zhuǎn)換器。
在混合動(dòng)力汽車上搭載48V系統(tǒng)，通過(guò)兩個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，形成12V-48V-HEV電氣系統(tǒng)架構(gòu)；普通混合動(dòng)力汽車的電氣架構(gòu)是12V-HEV模式，通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器直接聯(lián)通12V系統(tǒng)和HEV高壓系統(tǒng)。
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。
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。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，廠商開(kāi)始將12/48V雙電壓系統(tǒng)進(jìn)化到48V單電壓系統(tǒng)。
48V為何會(huì)節(jié)能
48V系統(tǒng)可以為更多先進(jìn)節(jié)能技術(shù)提供集成平臺(tái)的基礎(chǔ)，從而達(dá)到節(jié)能效果。而48V承載功率提升到15kw左右，可提供更多減排技術(shù)的集成。
在目前的12V系統(tǒng)下，啟停技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到極限（功率為3kw），無(wú)法集成其他高功率消耗的節(jié)能技術(shù)。而在48V系統(tǒng)下，隨著各種先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，可達(dá)到10%-15%的節(jié)油效果。
由于48V系統(tǒng)通電電流位12V系統(tǒng)的1/4，所以等功率下的功率損失較12V系統(tǒng)減少也非常可觀，功率損失是12V系統(tǒng)的1/16。更低的功率損失，電氣系統(tǒng)的總體效率大大提升，解除了功率限制，可以對(duì)車用電器進(jìn)行更精細(xì)的控制，提升其性能。
另一方面，48V系統(tǒng)可以提供諸如能量回收系統(tǒng)、自動(dòng)啟停系統(tǒng)等更多的功能集成，滿足人們?cè)絹?lái)越高的需求。同時(shí)，鋰電池充放電性能更佳，啟停系統(tǒng)的應(yīng)用效果更好。
另一方面，更低的電流意味著可以應(yīng)用更細(xì)的導(dǎo)線，對(duì)整車的輕量化設(shè)計(jì)促進(jìn)效果明顯。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
1 安全電壓控制
由奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾物價(jià)德國(guó)廠商與2011年制定的LV148標(biāo)準(zhǔn)中，電子元件正常工作電壓為36V-52V，高于60V的電壓被嚴(yán)格禁止，為了達(dá)到這一限值標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定了54V和52V電壓限制，以留出電壓波動(dòng)區(qū)域。
2 能量管理的挑戰(zhàn)
在能量管理方面，該系統(tǒng)也面臨著能量轉(zhuǎn)換、能量?jī)?chǔ)備和能量流動(dòng)以及效率和穩(wěn)定性的問(wèn)題。
3 電弧放電
在并聯(lián)電路中，當(dāng)能量達(dá)到2900J，兩條通電線路之間有很小的接觸的時(shí)候容易發(fā)生電弧放電。
在串聯(lián)電路中，當(dāng)在48V電路工作中進(jìn)行熱插拔時(shí)，也會(huì)發(fā)生電弧放電。
目前并聯(lián)的電弧放電智能通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)來(lái)避免，串聯(lián)電弧放電需要在電路中引入電容器來(lái)避免。
串聯(lián)電弧放電（熱插拔）
4 接地失效
雙電壓系統(tǒng)中，高壓模塊接地失效后，電流直接通過(guò)低壓模塊與地面接觸，會(huì)對(duì)低壓模塊部件造成損壞。
該問(wèn)題通常的解決思路是將48V子系統(tǒng)與12V子系統(tǒng)線路分開(kāi)設(shè)計(jì)并無(wú)連接，如果線路無(wú)法分開(kāi)，則在兩系統(tǒng)間的線路上設(shè)計(jì)高壓阻斷裝置。
5 雙電壓系統(tǒng)CAN總線通訊
為保障數(shù)據(jù)通訊流暢，CAN總線要求兩端輸入電平相同。
6 電磁兼容EMC
48V系統(tǒng)較12V系統(tǒng)有較大的電壓升高，電磁兼容的要求就會(huì)更高，所以在雙電壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器和導(dǎo)線布置中，必須考慮電磁兼容的設(shè)計(jì)。
未來(lái)發(fā)展
1 48V系統(tǒng)的應(yīng)用區(qū)間
未來(lái)10年，啟停技術(shù)和混合動(dòng)力技術(shù)將急速發(fā)展，這些技術(shù)正是48V系統(tǒng)的最佳應(yīng)用區(qū)間。
2 推廣48V系統(tǒng)帶來(lái)的影響
48V系統(tǒng)可以帶來(lái)系統(tǒng)部件的優(yōu)化、更多附件和作動(dòng)器的電氣化以及諸如后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新功能的加入，而且可以帶來(lái)較好的節(jié)能減排效果。但48V系統(tǒng)并不會(huì)帶來(lái)特別大的成本壓力，主要壓力仍是各種功能性電氣部件的集成成本。
