如果對汽車行業有深入了解的車迷,一定會發現當前已經有越來越多的廠商,開始研發48V車載電氣系統以及48V輕混系統(48V mild hybrid system)了 ,研發48車載電氣系統以及48V輕混系統取代當前大規模應用的12V車載電氣系統。
為什麼汽車車載電氣系統的電壓會越來越高呢?
在最早期的時候,本茨先生發明汽車的時候,汽車並沒有車載電氣系統,車上也沒有蓄電池,也沒有太多的電氣設備,能夠數得出來的用電設備就只有火花塞和大燈了。
在汽車領域上首次引入蓄電池和電氣系統是在1918年,給汽車安裝上蓄電池主要目的就是為了給起動機供電,當時的蓄電池電壓只有6V,並且採用的是正極搭鐵的供電連結方式。
隨著後來汽車工業的發展,車上出現的電氣設備越來越多,發動機的排量越來越大,壓縮比越來越高,6V電壓的蓄電池難以提供足夠高的瞬時輸出功率給起動機推動更加精密的發動機了。因此汽車的車載電氣系統,在五十年代中便快速邁進了12V時代,時至今日,七十年過去了,12V車載電氣系統依舊是乘用車的主流車載電氣系統的用電設計標準。
在汽車工業的發展中,乘用車開始變得越來越精緻,電子設備的加入,舒適設備的增多,汽車對於電氣系統的要求也越來越高,於是乎,在汽車工業發展過程中,統治了車載電氣系統長達數十年時間的12V也就顯得有點"捉襟見肘",有點不夠用了,於是汽車廠商開始是希望將電氣系統的供電電壓再一次提升起來,以滿足當前主流汽車所配置的一些設備的用電需求。
對於當前汽車採用的12V車載供電電壓最大考驗的配置,莫過於是發動機啟停系統。當車輛在市區同行的工況,遇到頻繁啟停的狀況,對於12V的蓄電池有著很大的考驗;另一方面在當前電氣化集成越來越複雜的狀況下,如果在12V電壓下引入輕混系統,輕混功率的需求在10kW~15kW左右(P=UI),而這樣的設定則會讓蓄電池的輸出電流高達1000A,這無異於是一下子將蓄電池的壽命極致壓榨,會大大損耗蓄電池的壽命,這種方式顯然是行不通的,除了自動啟停系統之外,車上還有座椅加熱、座椅通風等等配置。
當前的汽車電氣系統滿足乘客的舒適需求之外,電氣系統也肩負著節能減排的效能,例如在動力總成中中加入輕混系統、底盤中的安全配置等等都需要用到電,而隨著越來越多的電氣設備融入到乘用車上,12V的供電系統已經難以滿足車載電氣設備的負載需求了。
為了能夠滿足足車載電氣設備的用電需求之外,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;另一方面,也是為了能夠在新車的動力總成中加入更高功率的輕混系統,以此滿足全世界不同國家和地區內更加嚴苛的排放新規。
在技術的角度上來講,電氣系統的升級一般是以指數的形式進行提升的,如果要淘汰12V的車載電氣系統,按常理來說,就應該是24V車載電氣系統正式"上崗"(當前部分商用車採用的就是24V供電系統),但是廠商卻直接跳過了24V直接提升到48V。雖然說只要低於60V的電壓,都是安全電壓,不需要採用額外的安全措施,但是在48V蓄電池的充電電壓已經是達到了56V,非常接近60V了,換而言之,48V車載電氣系統已經是安全電壓下的最高電壓了。
隨著48V車載供電系統被廠商開發和應用到乘用車上,工程師們就不再需要考慮12V供電系統存在最大輸出功率的短板,可以給車上安裝更多更大功率的用電設備,其中48V輕混系統就是其中之一,可以在車載安全電壓的應用下,採用48V輕混系統,以低成本達到高壓輕混系統70%的節能效果,優化乘用車的排放效能。
當前的汽車廠商已經採用了48V車載電氣系統,全新的48V車載電氣系統自然是有著讓廠商無法拒絕的優勢。
首先48V車載電氣系統作為安全電壓下的最高用電電壓,不需要採用額外的安全保護設施,比起高壓電來講,能夠免去各式各樣的防護措施,成本得到極好的控制,另一方面相比起當前正在使用的12V電壓,又能夠很好地提升車載用電設備的最大功率,同時也可以使得傳統發動機上的空調壓縮機、冷卻水泵、真空泵等高負載附件電動化,在不啟動發動機的情況下進行正常運轉以及通過BSG/ISG等輕混系統優化車子的排放,進一步縮小發動機的體積,進而降低排放,甚至是加入電動渦輪,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。
在48V車載供電系統的應用中,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(P=IR),在損耗降低帶來最直觀的收益就是能夠將線束做的更加精細化。
不過隨著48V的應用,無疑是革新了應用了數十年的12V車載用電系統,電壓升高了原來的12V車載設備遷移到48V需要重新開發以及測試,整個開發的周期和代價對於廠商來說,所需要的投入並不是小工程量,另外一個則是電壓的升高,電磁兼容要求會更高以及作為最高的安全電壓,48V電壓在某些用電環境中會存在電弧,會有一定的安全隱患。
(48V電池的充放電電壓和電流都相比12V電池要大得多,因此電池在深度充放電的過程中也會影響到電池的壽命,這一點也是不得不認真思考的問題。)
乘用車用上48V電壓之後,廠商最為看好的一點優勢就是能夠將發動機上的空調壓縮機、冷卻水泵、真空泵等高負載附件電動化,以及給發動機配置上48V輕混系統,進一步將發動機簡單化、電氣化、輕量化,以此提升發動機的排放性能。
在48V輕混系統中,實際上是可以看成是12V啟停系統的升級版,增加了48V儲能電池、48V/12V雙向DCDC、48V BSG、電動增壓器(可選配置)、電池管理系統。48V輕混系統集成到當前乘用車的動力總成上,不外乎兩種結構,一種是採用P0,另一種則是採用P2。
在P0結構的48V輕混系統中,對於動力結構的改動最小,僅僅是採用BSG系統替換掉傳統的發電機和起動機,能夠實現簡單的動能回收,發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。
目前廠商對於48V輕混系統主流的應用方式則是採用P2結構,將BSG/ISG置於發動機和變速箱之間,能夠省去發動機起動機和發動機的配置,同時也免去了發動機的附件傳動皮帶,讓發動機的集成度更高。另一方面真正帶來讓廠商無法拒絕的優勢則是在於P2結構48V輕混系統可以徹底斷開發動機實現純電動驅動,在低速挪車、發動機怠速等排放惡劣的工況下,直接關閉發動機,有著P2結構的輕混系統加入傳統的內燃機中之後,可以進一步降低25%左右的二氧化碳排放。
在推動著48V車載電氣系統中,最為積極的廠商莫過於是歐美廠商了,包括牽頭的奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷、大眾、博世、大陸、德爾福、法雷奧、舍弗勒等汽車和零配件廠商,此外福特、現代、起亞等也表示會開發48V的車型,甚至是自主品牌也不希望落後於人,吉利、一汽、比亞迪、長城確認要引入48V系統,這些廠商選擇開發48V供電系統,除了看中48V帶來的輕混優勢以及高度電氣化發動機附件設備之外,還有一個相對重要的地方,就是能夠繞過以豐田本田為主的混動領域專利壓制。