2012年歐洲新車平均二氧化碳排放水平為132.2克/km,2020年後(大約2025年)的指標預計為68至78克/km。
油耗方面,到2020年,歐洲新車平均燃效有望達到72英裡/加侖(註:此處為英制加侖,比美制加侖大20%),約合每100千米行程油耗3.9升。
而中國方面,2020年所有企業生產的乘用車平均油耗必須降低至5.0L/km,這對大多數車企均是難以達到的標準。
▲不同混動構型、種類的新能源汽車(12V啟停、48V微混、全混、插混、純電)電機功率、碳排放貢獻一覽表
唯一的辦法就是使用混合動力,可是混動車成本高居不下(還有豐田的專利限制),12V啟停技術的降油耗效果又不夠明顯,所以零部件廠商就想到用48V電氣系統來取代或部分取代現有12V電氣系統,在儘可能少的增加成本的前提下達到排放法關於油耗的要求。
根據預測,到2025年,全球48V輕混車輛將超過1200萬輛,中國將成為世界上擁有最多48V輕混車輛的地區,歐洲緊隨其後。
48V系統有很多好處,其中對節油最主要的貢獻是能夠支持制動能量回收、加速輔助、啟停和滑行時停機。
12V怠速起停等技術的節油潛力已經達到瓶頸,在2019年之後不能滿足企業達到CAFE標準的需求,電氣化會成為未來的主要方向。
怠速起停和制動能量回收都是有效的技術節能手段,但是在12V系統中,由於電壓較低,得不到很好的發揮,增加成本的同時節能效果有限。
48V啟停系統優點:
48V系統採用的鋰電池可以短時達到15kW的回收功率,充分有效吸收制動能量,並且可以提供0.5-kWh電能供應。48V啟停系統可以融合電動助力轉向等多項節能措施,油耗比12V降低10%左右。48V系統可以在巡航狀態下停止發動機運轉,靠鋰電池中制動回收的能量維持巡航。48V系統可以支持電動壓縮機、電子水泵等附件在發動機停機時運行,而傳統的12V啟停系統在開啟空調後發動機就要開始運轉。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。可以渦輪電動化,進一步提高發動機的效率,並且不會有渦輪延遲現象。由於BSG(Belet drive starter/Generator皮帶傳動啟動發電一體化電機)技術和ISG(Intergrated Starter/Generator集成啟動發電一體化電機)技術的輔助,可以進一步縮小發動機的體積,進而降低排放。48V系統的導線、電磁閥和電動機等元件的重量可以進一步降低,從而對油耗做出貢獻。
最近火熱的電增壓其實在業界已經研究了不少年。法雷奧購買了CPT(Controlled Power Technologies)的乘用車(3.5噸以下車型應用)開關磁阻電機技術(Switched Reluctance Motor)之後當上了電增壓的先驅者,奧迪用的就是這套系統。
緊隨其後的眾廠商(博格華納,霍尼韋爾,皮爾伯格,三菱重工,等等)也靠著永磁同步電機進入了市場。當然還有通過eCVT及類似系統支持的Eaton和IntegralPowertrain,以及其他一些更少見的電增壓概念。
48V啟停系統缺點:
48V屬於高壓電,因此需要額外的許多保護措施,會帶來成本上漲由於電壓升高,電磁兼容性會變差電源線搭鐵會有電弧,存在安全隱患系統工作噪音會增加由於目前車上的用電負載基本上都是12V,採用48V系統必然會要求重新開發這些元器件,成本高
▲福特 大陸 舍弗勒 48V P2架構輕混系統
48V混動工作模式:
12V+48V混合
為了提高系統兼容性,降低推廣難度,現在業界提出的主流方案都是12V+48V的方案,相比直接上48V或混動,更容易實現。
採用48V系統,朗逸可以將油耗降低到4.7L/100km,比使用傳統技術的5.24L/km有明顯改進,基本能滿足2020年CAFE的要求。
現在業界巨頭們都有了自己的系統方案,比如
BOSCH:
Schaeffler:
AVL:
48V輕混系統核心部件
所謂48V系統,其實是一種輕度混合動力系統,也可以看做是啟停系統的升級版,這裡需要注意,並不是直接將系統標準電壓提升至48V,而是保留原來12V電氣系統,增加一套48V電氣系統,主要設備包括:
48V電源:48V系統所採用的鋰電池可以短時達到15kW的回收功率,充分有效吸收制動能量,並可以提供0.5-1度的電能供應。DC/DC轉換器:將48V電壓降為12V電壓為附屬設備供電。48V電機:可以提供更大功率。48V控制器:用於監控電池的SOC以及控制電機模式
48V系統能省多少油?
48V技術是歐洲車企研發的,目的是用來對抗日本的混動技術。由於發展較晚,48V技術遠未普及,實際應用效果,還有待驗證。
根據48V系統供應商的說法,目前的48V系統能夠節油10%-25%。
代表性的有:
大陸48V輕混系統:
官方宣稱第二代48V系統能節油25%。
▲大陸48V 輕混系統在大眾高爾夫上的應用
48V電機:
GSG電機(7-15kW)ISG電機DC/DC:12V、48V
0.5度電鋰離子電池
功能:
能量回收關機滑行電動助力和純電驅動電動渦輪
▲大陸48V系統P1-P4構型對整車功能分析及燃油經濟性表現
博世:
官方宣稱第二代48V系統能節油12%-19%。
德爾福:
官方宣稱他們的48V系統能節油10%-15%。
此外法雷奧、AVL等也開發出了48V系統,但與博世之類相比,並無本質區別,總體來看,節油率為10%-25%,當然這都是理論值,實際應用會打折扣,我個人覺得目前的48V系統節油率10%-15%比較可信。
目前來看,節油15%的成績並不怎麼樣。雷凌和卡羅拉混動版的節油率可達28%。而插電混動的純電續航就足夠城市的日常行車。但是別忘了,豐田HEV貴啊,成本大約是1.2萬元。插電混動更貴,成本至少在3萬元以上。而48V系統的成本大約只有5000元。
AVL 48V輕混系統:
48V在整車上的構型:
P0:電機位於內燃機皮帶輪系統位置P1:電機位於內燃機曲軸上P2:電機位於發動機和變速器之間,離合器可以把電機從發動機解耦P3:電機位於變速器輸出端p4:電機位於後橋上
▲由P4構型48V電後橋構成的全輪驅動
▲48V輕混系統各不同構型相對整車功能分析
舍弗勒P2混動系統
雖然P2混動模塊在發動機起停和負荷點轉移方面表現更好,但是48V電驅動後橋有一個顯著的優勢,即通過安裝在後驅動橋的電橋實現電動四驅功能。
前驅動橋與後驅動橋分別由傳統動力和電橋獨立驅動。
由傳統動力總成與48V電橋組成的電動四驅系統具有以下優點:
四輪驅動功能作為擴展系統,與傳統動力總成可兼容可實現低速純電行駛通過兩檔變速箱可實現高速下的電動巡航通過發動機解耦可顯著降低發動機摩擦與拖曳損失更好的燃油經濟性
由於沒有發動機拖曳扭矩的影響,以及電橋在一檔具有大速比,電橋可以提供較高的軸荷扭矩,使車輛起步達到15公裡/小時。
與之相反,除去發動機拖曳扭矩之後BSG系統所能提供的淨軸荷扭矩小於NEDC循環中車輛所需軸荷扭矩,不足於驅動車輛起步。而且,電橋在能量回收時比BSG系統具有更高的效率。
另外,由於電橋在二檔時具有小速比,可以實現高達70km/h的純電巡航。而由於速比的限制,BSG系統在高車速(70km/h) 時所能提供的軸荷扭矩較小,不足以單獨驅動車輛。
基於以上分析,電橋相對BSG系統在純電起步,能量回收以及電動巡航時具有更高的效率。
48V電橋可以在NEDC循環中實現15%的節油率。
48V電橋的設計與開發應基於最優利用整個功率範圍的理念。要最大程度上降低二氧化碳排放,需要較小速比,這樣48V電橋的高效區域和最大功率都可以在一個較寬的車速範圍內為電動巡航與能量回收所利用。
同時,車輛需要在0-15公裡/小時車速範圍內具有高軸荷扭矩,因此需要大速比。對於駕駛員來說這是在不降低駕駛舒適性的前提下,在車輛加速時體驗純電的駕駛樂趣的唯一方法。因此集成一個兩檔變速箱到電橋當中是有必要的。
相對於單擋電橋,兩檔電橋具有以下優點:
採用一檔的大速比可以實現更好的加速性能和爬坡能力採用二檔的小速比可以提高最高車速和拓寬車速範圍更低的電機運行轉速,更好的NVH電機可小型化更大的高效區域和更高的綜合運行效率,可採用更小的電池容量或者提高純電續航裡程舍弗勒48V 電橋解決方案
舍弗勒48V電橋可以應用在不同的整車架構中。純電行駛和能量回收完全由48V電橋完成。
為了啟動發動機,仍然需要12V起動電機。另外,傳統動力總成和電橋分別驅動前、後橋,實現電動四驅功能。在後驅車型中電橋安裝在後橋前端,由後橋差速器的法蘭支撐,並與萬向軸保持同軸。
電橋所產生的扭矩通過萬向軸和後橋差速器傳遞到後輪。 在前驅車型中電橋安裝在變速箱後端,通過法蘭連接在變速箱殼體上。電橋所產生的扭矩通過變速箱中間軸傳遞到前橋,從而驅動車輛行駛。
對於具有更高駕駛動態響應要求的高端車型,可以採用帶扭矩矢量分配功能的舍弗勒48V電橋。它可以提供48V電橋的全部功能並增加後輪的扭矩矢量分配功能,從而具有更好的駕駛性和動態響應特性。
舍弗勒48V電橋包括一個電機、兩級行星齒輪以及連接齒輪和萬向軸的電子機械式換檔機構。電機的功率電子和換檔執行器被集成在後軸驅動的傳輸通道中。
為了得到起步所需扭矩,到驅動軸的高減速比是必要的。行星齒輪可實現的最大速比受到太陽輪與齒圈直徑的限制,舍弗勒通過使用儘可能小的太陽輪和一個創新的較容易安裝在殼體中的齒圈,可以使傳動比達到最大。第一級和第二級齒輪的齒數是相同的,兩極行星齒輪都與固定在殼體上的同一個齒圈相嚙合。
在一檔時電機產生的動力通過第一級行星齒輪的太陽輪傳遞到行星架。同時第一級行星齒輪的行星架與第二級行星齒輪的太陽輪相連接。最終動力通過第二級行星齒輪的行星架輸出。
行星齒輪的行星架與中間軸的鎖止通過換檔執行器與同步環來實現。在二檔時第一級行星齒輪的行星架直接與中間軸相連接。因此只有第一級行星齒輪參與動力傳遞,第二排行星齒輪在空轉。
舍弗勒48V電橋和整車之間的接口需根據具體車型來定義。48V電池通過功率電子供給電機所需要的電功率。同時,整車控制單元(HCU)和功率電子通過車輛總線(CAN或FlexRay)進行通訊,ECU所要求的扭矩通過功率電子中的控制單元轉化為對電池的電流需求。
換檔執行器同樣通過車輛總線與整車控制器通訊,並且根據駕駛工況把整車控制器的換擋命令轉化為執行器位置信號。換檔執行器由車載12V電源供電。
除了控制信號,車輛總線還傳送位置、溫度和電流傳感器數據,以允許整車控制器隨時監控混動系統的當前狀態。
換檔執行器的底層驅動軟體以及控制算法都由舍弗勒獨立完成,並且可以根據目標車型的要求進行修改與匹配。機械接口包括中間軸與萬向軸的連接,以及後橋差速器和電橋法蘭的連接。
舍弗勒在開發48V電橋過程中,採用模塊化設計原則是至關重要的。因為可以沿用通用的量產零部件,模塊化設計的理念已得到廣泛認可。48V電橋樣品的電機來自於BSG電機,電機的定轉子已經大批量生產。
電橋的設計高度集成,殼體為集成功率電子進行了設計調整。同時可以沿用BSG系統中大部分的發動機控制和總線接口。與功率電子器件關聯的換檔執行器已被使用於舍弗勒高壓電橋,無需任何修改即可用在48V電橋系統當中。
變速箱、殼體和軟硬體接口已經為48V電橋的相關應用進行了調整。零部件共用策略可以避免針對每個客戶的全新開發,而僅需要應用匹配。
峰值功率為12千瓦的舍弗勒48V電橋提供了一種高性價比的混動化方案。基於模塊化設計原則,共用已有的換檔控制器和採用已大批量生產的零部件,使得開發出低成本的48V電驅動橋成為可能。
兩檔變速箱可以利用一檔實現車輛純電起步到20公裡/小時。除了用在頻繁起停的路況,純電行駛也可用於部分自動駕駛操作,如泊車。
在二檔,助力和能量回收可以在很寬的車速範圍內實現。根據不同的車型,電動巡航(車速恆定)可以最高達到約70公裡/小時的速度。
搭載一個電機和兩檔變速箱的舍弗勒48V電橋可以實現高達15%的節油率,採用更高功率的電機,如從12千瓦增加到18千瓦,可以預期獲得更高的制動功率和更好的能量回收率。
另外,通過改變電機的冷卻方式,從風冷轉變為油冷,可以有效提高電機的額定功率。這些都是舍弗勒針對48V電橋下一步要研究的工作。除此之外,結合扭矩矢量分配功能對輪胎滾動阻力的優化也是進一步研究的方向。
總結
不過對於48V系統,業界也有很多爭論,現階段48V還不是很有必要,因為可以看到的OEM的主要投產計劃都是在2020年前後,到2025年都有點前途未卜,畢竟成本不算低,雖然比傳統的12V更省油,但還是比不過200V-600V的強混,尤其是考慮到雷凌和卡羅拉混動如今只賣13-14萬元,到時候價格會進一步下探,那麼48V市場究竟有多大就很難說。