深度分析48V車載電氣系統(tǒng)以及48V輕混系統(tǒng)

這次我們的主題是汽車48V系統(tǒng)，包括48V車載電氣系統(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)燃機汽車的時候，車上并沒有蓄電池，也沒有電氣設(shè)備，車子也非常簡陋。

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

1918年汽車首次引入了蓄電池，隨著起動機的誕生，1920年蓄電池獲得了廣泛應(yīng)用，當(dāng)時蓄電池的電壓等級是6V，并且正極接地。由于內(nèi)燃機排量的增加以及高壓縮比內(nèi)燃機的出現(xiàn)，6V蓄電池已經(jīng)不能滿足功率需求，1950s電壓等級開始向12V進化，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)時的技術(shù)水平，以及電氣零部件替換的高昂費用，汽車企業(yè)并沒有積極推進實施，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)載的方法來降低電池的負(fù)荷。42V并沒有得到推廣，至今汽車依然是12V系統(tǒng)。

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48V系統(tǒng)的提出

12V電壓系統(tǒng)在引入啟停機構(gòu)之后，基本已經(jīng)達到了功率輸出極限，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1000A，顯然行不通。

2011年，奧迪, 寶馬, 保時捷, Volkswagen, Daimler聯(lián)合推出48V系統(tǒng)，以滿足日益增長的車載負(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。

LV 148規(guī)定的電壓范圍

至于為什么選擇48V：

1.技術(shù)進步通常以指數(shù)形式增長；

2.60V是安全電壓，也就是說只要低于60V的電壓不需要采取額外的安全防護措施，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了。

各國排放目標(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)動機的燃油效率達到排放目標(biāo)基本是不可能完成的任務(wù)，汽車混動化，純電動化是最佳技術(shù)路線了。

純電動化雖然是汽車的終極目標(biāo)，但是由于高成本以及續(xù)航問題，無法在短期內(nèi)大量普及。

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

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48V輕混系統(tǒng)的優(yōu)點

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

2. 相對于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，可以進一步縮小發(fā)動機的體積，進而降低排放；

4. 可以將傳統(tǒng)發(fā)動機上的高負(fù)載附件電動化，比如空調(diào)壓縮機、冷卻水泵、真空泵等，降低發(fā)動機的負(fù)載，即使在發(fā)動機關(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(shè)備。

7. 可以渦輪電動化，進一步提高發(fā)動機的效率，并且不會有渦輪增壓器延遲現(xiàn)象；

8. BSG/ISG點火時間更短，更低噪音和更小震動。

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

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48V輕混系統(tǒng)的缺點

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(fēng)險隱患，需要處理；

3. 原來的12V車載設(shè)備遷移到48V需要重新開發(fā)以及測試，代價巨大并且周期長；

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

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)的升級版，增加了48V儲能電池、48V/12V雙向DCDC、48V BSG(belt-drivenstarter generator)/ISG(intergrated starter generator)、電動增壓器（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)動機的前側(cè)），這種布置對整車改動最小，只需用BSG替換傳統(tǒng)的起動機，并且可以卻掉傳統(tǒng)的發(fā)電機。但是BSG無法和發(fā)動機分開，在能量回收階段，即使關(guān)閉噴油系統(tǒng)但發(fā)動機還在運轉(zhuǎn)，發(fā)動機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)動機與變速箱之間），能量回收階段可以徹底斷開發(fā)動機，進一步降低25%左右的二氧化碳排放。并且可以實現(xiàn)純電驅(qū)動，但需要雙離合使電機能與發(fā)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。

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48V輕混系統(tǒng)工作模式

自動啟停(START/STOP)：等紅綠燈，車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，發(fā)動機處于關(guān)閉狀態(tài)，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(fā)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(zhuǎn)化為電能，并存儲到電池中。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(tǒng)可以減小發(fā)動機的排量，在提速階段，電機的輔助動力能彌補發(fā)動機動力的不足，實現(xiàn)不損失動力的情況下降低排放。

航行（SAILING/ACTIVE ENGINE-OFF COASTING)：在車輛恒速運行，并且電池電量充足的情況下，關(guān)閉發(fā)動機噴油系統(tǒng)，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(fā)動機的拖拽阻力。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)動機，僅靠電機保持車輛巡航。當(dāng)再次踩下油門踏板，發(fā)動機會迅速啟動，平滑切入到當(dāng)前車速。

滑行(COASTING)：在松開油門，車輛處于滑行階段，離合器分離發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的機械連接，徹底關(guān)閉發(fā)動機，實現(xiàn)更長的行駛距離。相當(dāng)于傳統(tǒng)車輛空檔滑行，只不過傳統(tǒng)車輛在切換到空檔滑行之后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在降到怠速時依然需要噴油來維持發(fā)動機的運行。

P0構(gòu)架（BSG位于發(fā)動機前側(cè)）工作模式

P2構(gòu)架（BSG位于發(fā)動機和變速箱之間）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），并計劃2017年量產(chǎn)。相信國內(nèi)大部分主機廠都會傍它了。

Bosch BSG方案

? 風(fēng)冷爪極電機，集成驅(qū)動器和風(fēng)扇

? 最高效率88%

? 啟動轉(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

? 電動模式機械功率輸出：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，裝備2臺BSG，總功率20kW，百公里加速不到5秒。可以認(rèn)為這是博世對明年進行量產(chǎn)的BRS系統(tǒng)進行的應(yīng)用測試。

大陸（Continental）&舍弗勒（Shaeffler）：

雖然舍弗勒并購大陸失敗，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)稱為GTC（Gasoline Technology Car），目前已經(jīng)開發(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)動機和變速箱之間，兩個離合器，可以將發(fā)動機與傳動系統(tǒng)徹底分離，也可以電機獨立驅(qū)動。在航行/滑行階段可關(guān)閉并分離發(fā)動機，以實現(xiàn)更長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&舍弗勒的計劃，2016年投產(chǎn)GTCI，2020投產(chǎn)GTCII，2025年將GTCII中的BSG升級為ISG，取消皮帶，電機升級為永磁電機（目前采用的是感應(yīng)電機BSG）。

德爾福Delphi

德爾福當(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柴油車上進行了驗證，降低二氧化碳排放超過10%。

德爾福48V系統(tǒng)測試樣車

2016年4月，德爾福宣布已經(jīng)和2個客戶達成合作，并計劃在2017年量產(chǎn)48V系統(tǒng)。

德爾福48V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，做整個系統(tǒng)集成，并提供標(biāo)定、控制策略以及樣車試制服務(wù)。

AVL測試樣車

AVL的系統(tǒng)集成服務(wù)

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48V系統(tǒng)電池

和純電動類似，48V輕混系統(tǒng)方案基本采用鋰電池作為儲能動力電池，江森自控、日立、SAFT、A123等均推出了針對48V輕混的專用電池。

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)測試樣車

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48V輕混系統(tǒng)未來

除歐洲車企積極推動之外，福特，現(xiàn)代，起亞也表示會開發(fā)48V的車型，通用表示會在適當(dāng)?shù)臅r候引入48V系統(tǒng)。

國內(nèi)，吉利、一汽、比亞迪、長城確認(rèn)要引入48V系統(tǒng)。

歐洲是未來48V系統(tǒng)的主戰(zhàn)場，歐洲車企以及零部件供應(yīng)商比較樂觀，推動非常積極，如果歐洲推廣順利，相信中國也會緊隨其后。

根據(jù)IHS預(yù)測，2025年48V系統(tǒng)裝車量1100萬輛

IHS預(yù)測2025年48V輕混和高壓混動將平分天下

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