當前針對汽車電動化的大力推行使得車用內燃機的發展每況愈下，AVL公司作為回應，從而開發了一種高效內燃機與48 V插電式動力設備的組合動力系統，通過該途徑實現了一種充滿前景的替代方案，不僅降低了OEM製造商車隊的CO2排放，而且能使用戶在市內能實現無排放的電動行駛。
1 強大的政治壓力
隨著汽車電動化的不斷推行，使得車用內燃機的發展情況捉襟見肘，特別是在歐洲，除了基於交通運輸而設定的CO2排放法規所產生強大的政治驅動力之外，同時也要求對空氣品質進行顯著改善。此類要求也反映了未來歐7廢氣排放法規的嚴苛程度，特別是基於真實行駛排放（RDE）邊界條件，該法規的要求將超越美國超低排放車輛US-20法規的限值。
用於市內行駛的微型車輛在附著質量、結構空間需求特別是全電氣化的成本等方面都受到限制，因此混合動力特別是48 V系統則具有重要意義。
2 當前的48V驅動系統
將48 V皮帶傳動起動機-發電機（BSG）集成到動力總成系統已顯示出其獨特的應用前景，其能改善內燃機廢氣排放的適應性以及駕駛機動性和行駛動力學性能。儘管如此，該類系統基於在皮帶傳動中的佈置，其在電動行駛、靈活駕駛、制動行駛等方面無法提供充分的用戶使用經驗。除了上述限制之外，通過皮帶傳動的扭矩受到限制也會帶來附加的技術挑戰。皮帶傳動如需傳遞更大的扭矩就要求增加皮帶筋條和/或提高三角筋條皮帶的預緊力，由此會導致更劇烈的摩擦，從而增加燃油耗，而由此又不得不設法予以補償。
48 V系統相對於12 V系統的燃油耗優勢是基於更大的能量回收潛力，甚至在考慮到DC/DC轉換器效率損失的情況下發電機仍具有良好的效率。這些限制以及在回收運行能量時內燃機並未脫開動力總成系統的實際情況，使得該系統降低CO2排放的效果逐步受限。
3 下一代48 V系統
與48 V-BSG相比，電機直接佈置在動力總成系統中並且能使內燃機實現脫離的系統能更有效地降低CO2排放，因而不僅能回收更多能量，而且還能提升實現汽車電動化的可能性。
圖1中示出的P2、P3和P4佈置型式能夠實現上述的電動出行方式，而且能獲得與結構相同的高電壓全混合動力系統相似的降低CO2排放的效果。
圖1 P0～P4型48 V動力總成系統架構以及在
WLTC試驗循環中按電機尺寸回收能量曲線
混合動力降低CO2排放的技術提升潛力主要依賴於能量回收系統，因此本文的研究重點主要在改善回收能量的效率上。此處所考慮的邊界條件是由車輛大小、質量、行駛阻力和行駛循環法規所決定的。系統分析（基於模擬工具AVL Cruise）表明，用於前橋橫置驅動結構的P2混合動力方案能提供最高的能量回收潛力。
約20 kW的峰值功率是發電機處於運行時能量利用與系統功率之間的良好折中。鑑於結構空間需求、系統成本和模塊化/可縮放性，側置（偏置）系統提供了良好的潛力。由於偏置結構附加的傳動比，能使用集成了變頻器且轉速高達18 000 r/min的高轉速電機。電機的這種方案能被設計成一個模塊，因為其同樣能作為電驅動橋或作為小型電動車（例如A0級三輪摩托車）的主驅動裝置。
在開發中，現有的解決方案在驅動運行時可提供約25 kW或20 kW的發電機功率。功率的差別是以系統電壓為基礎的。由於蓄電池內部存在阻抗，從蓄電池中獲取20 kW功率會引起電壓降，而將電流通至蓄電池則會相應提高電壓，從而獲得更高的額定功率。
4 48 V插電式混合動力車
為了能在2025年或2030年達到規定的降低CO2排放的目標，從而需不斷優化車輛的摩擦損失、變速箱的換擋策略以及內燃機本身的熱管理方案，但即便如此，降低全混合動力車型的CO2排放效果仍然有待提升。
從邏輯角度出發，需增加電動車所佔的市場份額，藉助於以VW Golf Ⅶ轎車為基礎的演示車輛進行系統模擬就能體驗到該目標效果。為此，將AVL公司開發的效率優化的內燃機與20 kW電動後橋以及AVL公司開發的容量為5.3 kW·h的48 V蓄電池相組合，並在真實交通中進行試驗。這種優化的動力總成系統能在最高車速為50 km/h情況下以電動狀態行駛20 km以上的里程（圖2）。
圖2 AVL演示車輛的CO2排放和架構
（PHEV=插電式混合動力）
5 日常局部無廢氣排放
為降低廢氣排放（例如CO2）而開展的研究並不完全在於用戶。自由進入城市的零排放區域和電動駕駛體驗對其充滿吸引力。對於用戶而言，除了成本價格以外，其主要關注的是行李艙、淨載質量、行駛功率等方面的車輛特徵。為了滿足系統中的相關要求，設計時需分析真實生活中的使用情況，例如需正確地開出車庫、橫越人行道邊沿、通過坡道和更長的距離，同時需考慮的不僅是從-30～60 ℃的溫度影響，而且還包括有小型車淨載質量480 kg和自重1 250 kg等使用情況。
針對各類重要使用情況的廣泛分析即可正確地確定要求，例如對中歐使用情況的系統綜合即可得出了所需求的平均電動行駛里程為22 km，這對於市內範圍行駛可充分滿足要求。
對於C級車和質量為1 500 kg的車輛而言，其最大車輪功率需求約為25～30 kW，而車輛用於驅動的平均持續功率約為5 kW，用於諸如採暖/冷卻裝置、娛樂信息設備、汽車前大燈、刮雨器裝置等輔助設施平均需要增加1～3 kW功率，因此蓄電池的總持續功率需達6～8 kW左右。圖3 上圖示出了用於WLTC試驗循環城市部分和用於真實城市行駛的功率需求比較。
圖3 WLTC城市部分和真實城市行駛
以及WLTC需求的功率的比較
在考慮到從車輪直至蓄電池的傳遞路徑時，所需的電系統功率約為30～35 kW。若維持正常運行的最低電壓為34 V，在30 kW時的峰值電流則為880 A。
影響電系統成本的主要因素是電流而並非是電壓，以此牽涉到選擇該類48 V系統的正確與否，正如ISO 6469-3標準（道路輸電安全性標準）所規定的一樣，將更高的75 V高電壓作為系統電壓，也只能使電流減小約20%。
圖3下圖通過系統的綜合分析表明，高功率僅需要較短時間（絕大多數為1～5 s），因此對這些功率峰值的需求相對較少。如果需持續提供8 kW的最大功率，採用直徑大大幅減小的導線即可滿足其要求。
真實行駛和RDE法規的要求帶來了需進行附加考慮的因素，例如低溫性能和使用壽命。如果考慮到對系統標準架構的相關要求，為此應作出必要的調整。
諸如大電流及其所引起的損失、高電流脈衝時的電壓突破以及蓄電池的低溫性能等關鍵性的挑戰，在當前的系統架構下通常是難以解決的。由此為了將這些要求模型化，應用系統工程方法將會面臨3種有趣的情形：
（1） 高功率—受限制的持續時間—大電流；
（2）低功率—長持續時間—小電流；
（3） 低溫—功率不降低。
在該類系統架構中使用的48 V蓄電池具有400 W·h的能量。由此導致的限制是較高的能量損失和效率的降低（圖4）。正如在系統架構中所表現的一樣，該類蓄電池和能量傳遞途徑在滿足上述1和3兩種要求的情況下會顯示出相應弊端。
圖4 12s2p和400 W·h-48 V蓄電池的功率輸出和內部損失
能充分滿足此類要求的蓄能器是一種雙層電容器（DSK），這種技術的缺點是電壓升程較大。蓄電池與雙層電容器的組合對於上述任務是一種充滿希望的解決途徑。為了將損失降低到最低程度，有別於大多數其他方案，將電容器集成在動力模塊中是較為可行的。此時，如需將其集成為一個模塊，則有兩種可能性：第一種可能性是應用一種簡單的半導體開關將電容器連接到蓄電池電壓上，從而降低成本。在該情況下一個小型DC/DC轉換器即可在非主動狀態下進行充電和放電。第二種可能性是預先應用一種大電流DC/DC轉換器，此類轉換器的設計能作為變頻器而進行設計優化。
在該兩種情況中，雙層電容器的數量需根據功率和能量需求來決定，而非取決於電壓水平，由此能實現有利於降低成本的設計。
基於分開式系統架構所應用的蓄電池在低溫性能和峰值功率方面的要求較低，允許採用帶有能量單元的蓄電池設計，這些能量單元在安裝容量方面能達到較高的能量密度和較低的成本。
最後，應考慮電機和變頻器較高的電流需求。如果將設計從3相改成6相而沒有星形連接點的話，那麼電流將減小一半，每3相的損失將減小到四分之一，每6相的損失就減小到一半，類似於等式P=I·R。
6 新的高功率系統架構
新的系統架構（圖5上圖）能滿足不斷提升的要求，在WLTC試驗循環中根據所安裝的蓄能器能使CO2排放低於65 g/km。
這種系統架構的核心部件是AVL-48 V電動橋。除了電機之外，其同時包括減速傳動機構和離合器，後者在高車速時可使電機脫開動力系統。集成在電機中的變頻器（圖5下左圖中藍色標記）被安裝在一個共用的殼體中（圖5下圖），並將水冷卻循環迴路與電機分開。
圖5 基於系統合成和AVL-48V高功率電動橋的
系統架構以及能量單元和6相電機的設計
48 V高功率系統由於在混合動力車（HEV）、插電式混合動力車（PHEV）和純電動車（BEV）上存在著廣闊的應用前景，因而無論是在降低CO2排放還是降低成本方面都顯示出充分潛力。這種模塊化組合架構能用於一個平臺內或數個其他平臺，其優點是：
（1）15～30 kW的可縮放電功率譜（帶或不帶DSK）；
（2）電纜束具有唯一的額定功率而與系統是用於HEV還是PHEV無關；
（3）蓄電池結構型式可實現功率定位或能量定位；
（4）小型混合動力車可應用1～2個電驅動裝置；
（5）系統質量輕小，特別適用於小型車輛。
7 將廢氣排放降低到零
48 V系統能對降低有害物排放作出重大的貢獻，尤其是在冷起動時。圖6示出了電加熱催化轉化器對冷起動期間廢氣排放淨化缺口的效果（通過渦輪前鼓入空氣進行輔助）。
圖6 帶有附加鼓入空氣的電加熱催化轉換器對
冷起動期間廢氣排放淨化缺口的效果
催化轉化器無預熱會出現廢氣排放淨化缺口，直至催化轉化器達到其轉化溫度。在吸入空氣直至催化轉化器系統的同時使用加熱盤能防止廢氣排放淨化缺口的出現。
這種預熱系統的能量平衡能有效地進行轉換，預熱的催化轉化器系統能減少或完全不需要發動機對催化轉化器進行加熱，因此預熱消耗的能量可被補償或甚至補償過度。
該類電系統的臨界設計情況是能富有挑戰性地在-7 ℃的溫度下進行冷機起步。所介紹的這種系統由於平行使用了集成的電容器和蓄電池，因此即使在該使用情況下行駛功率也會在很大程度上來自於電系統。
8 結論
48 V驅動系統正在逐步變成得以推廣的技術標準，其能對降低CO2排放和廢氣中的其他有害物排放作出重大貢獻。考慮到未來具有更高功率的48 V系統的可縮放性，特別是應用於更小型的轎車時，能使其具備更強的機動性。
新系統架構的所配備有雙層電容器的48 V系統能使車輛市內行駛的電行駛機動性高達65 km/h。這種系統能大幅降低冷起動時的廢氣排放，此時就要使用電加熱催化轉化器或向廢氣系統中繼續充入空氣。
來源：汽車與新動力
