02.21 48V輕混合動力系統,你瞭解多少?

混合動力汽車分為強(重)混合動力汽車、中度混合動力汽車和弱(輕)混合動力汽車,而弱混合動力汽車(Mild Hybrid),說的一般就是BSG(Belt-driven Starter Generator)混合動力汽車。

BSG簡單說就是皮帶傳動的啟動、發電一體化電機,可實現汽車的快速起停等功能。它對傳統汽柴油發動機的工況進行優化,在怠速、啟動等情況下提高燃油效率。

48V輕混合動力系統,你瞭解多少?

在BSG弱混合動力汽車中的48V系統,包括48V車載電氣系統以及48V輕混系統(48V mild hybrid system) 。


1、48V系統的提出

在引入啟停機構之後,12V電壓系統基本已經達到了功率輸出極限,如果在12V電壓下引入輕混系統,功率需求在10kW~15kW左右,這樣的電壓下電池的輸出電流高達1000A,顯然行不通。

2011年,Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen聯合推出48V系統,以滿足日益增長的車載負載需求,更重要的是為了滿足越來越嚴格的排放法規。

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2、為什麼選擇48V?

如下圖所述,涉及到法規、成本和技術等諸多層面。


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也可以簡單這樣理解:60V是安全電壓,也就是說只要低於60V的電壓不需要採取額外的安全防護措施,48V電池的充電電壓最高56V,已經很接近60V,即48V電池電壓是安全電壓下的最高電壓等級了。

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#各國排放目標

在排放法規中,歐盟要求最為嚴格,到今年百公里油耗要降至4L,每公里二氧化碳排放低至95g。顯然單純靠提高發動機的燃油效率達到排放目標基本是不可能完成的任務,汽車混動化,純電動化是最佳技術路線了。

純電動化雖然是汽車的終極目標,但是由於高成本以及續航問題,無法在短期內大量普及。

48V輕混系統相比高壓混動系統而言,成本更低,卻可以達到高壓混動系統(電池電壓100V)大部分節能效果,按照德爾福的測算,48V輕混系統是高壓輕混系統成本的30%,能達到高壓輕混系統70%的節能效果。


3、48V輕混系統有哪些優點?

(1)低於60V安全電壓,不需要採取額外的電壓防護,相對高壓混動系統,成本更低;

(2) 相對於12V系統,相同功率下工作電流只有1/4,損耗只有12V系統的1/16;

(3)由於BSG的電功率輔助,可以進一步縮小發動機的體積,進而降低排放;

(4)可以將傳統發動機上的高負載附件電動化,比如空調壓縮機、冷卻水泵、真空泵等,降低發動機的負載,即使在發動機關閉的情況下,這些設備也能工作;

(5)將車載電器工作電壓提升到48V,可以進一步降低損耗,同時可以降低線束外徑;

(6)可以支持更大功率的車載設備。

(7)可以渦輪電動化,進一步提高發動機的效率,並且不會有渦輪增壓器延遲現象;

(8) 點火時間更短,更低噪音和更小震動;

(9)當然對我們大多數人來說,最重要的還是48V系統輸出功率大比12V系統大,啟動發動機速度快;另外可以實現熄火滑行,可以相對省油一些。


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4、48V輕混系統有哪些缺點?

(1)電壓的升高,電磁兼容要求會更高;

(2)48V電壓下會存在電弧,是風險隱患,需要處理;

(3)原來的12V車載設備遷移到48V需要重新開發以及測試,代價巨大並且週期長;

(4) 比12V啟停系統成本高,節能效果不如高壓混動系統。

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5、48V系統技術方案如何?

48V輕混系統並不是直接將系統標準電壓直接提至48V,而是保留了原來12V電氣系統,增加了一套48V的輕混系統。

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#48V輕混基本構架


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#48V系統: 12V系統的升級


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#48V輕混系統電氣構架

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DC/DC、48V BSG、電動增壓器(可選配置)、電池管理系統。

48V蓄電池供電部件有:48V BSG電機、電動渦輪、電動助力轉向系統、翻滾抑制系統、PTC加熱器、電動空調壓縮機等。12V蓄電池給DC/DC轉換器、控制單元及其他低壓用電設備供電。


根據BSG電機的位置不同,48V系統可以分為下面兩種情況:


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#48V BSG(P0)

絕大多數48V輕混系統的BSG是處於P0位置(位於發動機的前側),這種佈置對整車改動最小,只需用BSG替換傳統的起動機,並且可以卸掉傳統的發電機。但是BSG無法和發動機分開,在能量回收階段,即使關閉噴油系統但發動機還在運轉,發動機的拖拽阻力直接減少了可回收的能量。NEDC(新標歐洲循環測試)工況下, 可以減少13%的二氧化碳排放。


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#48V ISG(P2)

還有少部分車的電機是在P2位置,相應電機應該叫ISG(intergrated starter generator)。ISG處於P2的位置(位於發動機與變速箱之間),能量回收階段可以徹底斷開發動機,進一步降低25%左右的二氧化碳排放。並且可以實現純電驅動,但需要雙離合使電機能與發動機以及變速箱分離。BSG在P2位置可以進一步升級成ISG,去掉皮帶的傳動,集成度更高。


6、48V輕混系統工作模式有哪些?

自動啟停(START/STOP):等紅綠燈,車輛靜止狀態下,發動機處於關閉狀態,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(RECUPERATION):能量回收可以將動能轉化為電能,並存儲到電池中。僅能量回收功能就可以降低大約7%的油耗。

動力輔助(BOOST):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。

航行(SAILING/ACTIVE ENGINE-OFF COASTING):在車輛恆速運行,並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。位於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(COASTING):在鬆開油門,車輛處於滑行階段,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。相當於傳統車輛空檔滑行,只不過傳統車輛在切換到空檔滑行之後,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。




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