记得 20 世纪 90 年代,汽车业曾考虑用 42V 总线配电取代 12V 系统,因为复杂性和成本过高,搞了十几年还是半途夭折了。今天,在全球环保压力下,对 48V 总线配电的需求越来越明显,但 48V 轻混能否成为未来汽车市场的标准呢?看看业界大咖如何评说。

 

 

未来汽车技术朝着电气化方向发展已经成为共识,不过走哪条技术路线仍是众说纷纭,纯电动(EV)、混合动力(HEV)、插电式混合动力(PHEV)、48V 轻度混合动力(MHEV)和重度混合动力(HEV),还有燃料电池等多种动力形式,谁最有可能脱颖而出,成为未来的主流呢?我们看到,48V 轻混动力汽车(也称为电池辅助混合动力汽车)市场的主要参与者包括博世、大陆、德尔福、法雷奥、AVL List GmbH、日立汽车系统、舍弗勒、福特、通用、菲亚特、克莱斯勒、丰田汽车、日产、本田、奔驰、宝马、奥迪、现代汽车、三菱汽车、马自达、斯巴鲁等。国内吉利、长安、北汽、江淮、长城等企业都有计划生产配备 48V 系统的车型。看来,48V 轻混还是有其诱人之处。

 

汽车功能增加亟需更大电力

当前汽车的 12V 电气系统可提供约 300 安培电流,峰值时约为 600 安培,勉强能为牵引电机和制动系统供电提供所需能量。而随着最新汽车上所有新的耗电型电子驱动和功能的增加,如电动启停、电动转向、电动悬架、电动涡轮增压、变速空调,以及音响系统、加热座椅和可随动转向照亮黑暗弯道的前照灯,传统 12V 配电总线已不堪重负,对更高电压总线配电的需求越来越明显。

 

12V 和 48V 电气系统能力大相径庭

 

随着自动驾驶车辆的出现,诸如激光雷达、雷达、摄像机和超声波传感器等需要高性能图形处理器来收集、解释、集成和理解的系统,对配电系统更提出了额外要求。这类处理器非常耗电,给传统的汽车 12V 配电总线增加了额外负担。即使是对具有较高自动驾驶性和驾驶员辅助功能(ADAS)的车辆,当今 12V 电气系统已远不能提供车载计算机分析和处理传感器和摄像头数据所需的能量。这样的车载计算机将消耗约一千瓦到两千瓦电力,这会让 12V 系统的功率消耗殆尽。无论是未来的自动驾驶驾驶汽车是混合动力汽车还是纯电动汽车,都需要 48V 系统来承受高耗能的负载。

 

博世集团董事会成员 Stefan Hartung 表示:“由于排放法规的实施迫使汽车制造商寻求有效降低汽车碳排放量的方法,因此当今许多汽车及其内燃机正在面临转型。48V 电气系统正为汽车业带来革新,48V 轻混定将成为未来汽车市场的最低标准。”他说,全球范围内,尤其在欧洲和中国,48V 系统解决方案的市场正在不断扩大。博世预计,到 2025 年,全球每年销售的新车中将有近 20%配备 48V 系统和配套电池。

 

为此,博世与宁德时代达成长期战略合作协议,根据博世要求投产了 48V 轻混系统的核心元件 48V 电池。这一合作也进一步扩展了 48V 电池在全球多家汽车制造商的广泛应用,还将推动 48V 轻混汽车进入合理价格区间。

 

《纽约时报》在 2018 年就指出,电动汽车不仅对环境有好处,而且对用户的耗电倾向也有好处。各车企正寻求摆脱传统的 12V 系统,转而寻求 48V 标准,为未来的汽车提供动力。在过去十年左右时间,汽车制造商一直在用更高效的电动部件取代传统的机械驱动部件,如电动转向架、电动制动真空泵和电动水泵。

 

事实上,一些汽车已经在用 48V 系统,如保时捷卡宴混动和宾利宾泰加混动 SUV。但是,尽管绝大多数购车者还无法使用开上汽车,但很快就会广泛采用新标准。

 

在欧洲,特别是沃尔沃的大部分车型中都处于领先地位,新车型已采用轻混动力技术,而在 2021 款的 S90/V90 将加入 48V 轻混动力。48V 的标准来生产轻混动力车。沃尔沃称,48V 轻混既能提升动力,又在油耗方面得到了优化,官方数据表明可节省超过 15%的燃油。奥迪 A7 和 A8 上引入 48V 轻混系统,同样令消费者对轻混有了新的认识,一是成本较低,对消费者和主机厂的负担较少;相比 12V,较高的电压也降低了电流,车辆的安全性更高。最重要的是,在燃油经济性上的提升可谓立竿见影,在实际的驾驶中,48V 轻混动力系统可降低车辆 0.7L/100km 的油耗。

 

Navigant 的预测显示,就 2025 年全球新车销量而言,48V 轻混动力车可能占据 14%的市场份额,而汽油或或柴油发动机的市场份额将只有 65%。

 

IHS:按地区划分 48V 轻混增长预测

 

为什么 48V 系统会出现在所谓轻混动力系统中呢?自有其道理,首先,48V 系统能以 30%的成本提供全混合动力汽车 70%的好处。

 

其次,随着时间推移,新车变得越来越复杂和高科技,与这些进步相关的新的更高功率要求以及越来越严格的排放法规是 48V 电力系统像野火一样蔓延的原因。汽车制造商已经增加了大量新的信息娱乐选项以及驾驶员辅助安全功能,如自适应巡航控制、车道保持辅助、盲点监控等。此外,还有加热座椅、方向盘加热和挡风玻璃加热。不用说,标准 12V 电力系统正越来越薄弱,48V 电力系统的介入有助于满足对更多车载电源的需求。

 

第三,为了满足燃油经济性和二氧化碳排放法规要求,特别是在欧盟和中国,到 2021 年每公里需要 95 克二氧化碳,到 2020 年每公里需要 117 克二氧化碳。到 2025 年,美国 54.5 英里 / 加仑(相当于每公里 101 克)的需求也迫在眉睫。因此 HIS 预计,到 2025 年,48V 轻混动力车市场将增长 9 倍,将有 1400 万辆车投产。

 

48V 电气系统的颠覆在哪里?

德州仪器(TI)混合动力、电动汽车和动力总成系统负责人 Karl-Heinz Steinmetz 表示,48V 的优点首先是增加动力,减少排放。汽车动力驱动架构从 12V 走向 48V 的进步满足了如今高耗能汽车更高的电力需求,功率的增加还可以使内燃机更有效地运转,帮助制造商更快地满足排放法规要求。各汽车制造商正在推出具有启停技术的轻混动力汽车。该技术可使发动机在汽车滑行、制动或停止时暂时关闭,然后迅速重新启动,并由新系统提供部分动力。低端轻混动力汽车制造商今年将紧随其后,效仿采用这一技术。与传统的混合动力汽车不同,轻混动力汽车中的电机用于补充内燃机,不单独为汽车提供动力。

 

他解释说,传统 12V 电气系统使用铅酸电池和交流发电机为不断增加的各种耗能功能提供电能,如车内外照明、半自动防撞和车道偏移安全功能以及提供车载音频和视频的软硬件。48V 系统可满足这些功率负载。48V 汽车中的驱动涡轮增压器、空调压缩机、主动悬架系统、冷却液泵、机油泵和转向助力泵运行所需能量由电气系统提供,而非由以往为内燃机提供动力的曲轴皮带轮和皮带传动提供。

 

48V 电气系统如何支持传统 12V 系统

 

Karl-Heinz 指出,从以前由产生二氧化碳的发动机驱动系统过渡到由 48V 电气系统电流驱动的系统,就可使用更小尺寸的发动机,例如将六缸车减小为四缸车,从而提高燃油效率并降低二氧化碳排放量。在技术层面,从 12V 切换到 48V 所需的结构性改造并不大。

 

第二个优点是回收储存能量。48V 系统采用大容量锂电池和再生制动系统,通过再生制动或恢复制动,发电机将汽车减速时损耗的动能转换为电能,存储在 48V 大容量电池中,并能利用回收的能量支持内燃机的电气装置。Karl-Heinz 说,通过再生制动,当驾驶员在交通信号灯处由停车变为加速行驶时,所存储的能量将被用于推动车辆前行,从而实现比通常情况下更快的速度。一些 48V 电气系统还会在车辆滑行或停车时关闭发动机,从而提高燃油效率,并降低排放。

 

第三个优点是满足大功率用电。48V 系统的汽车不会发生许多驾驶员抱怨的 12V 系统汽车停下时,暖通空调(HVAC)系统就会断电的情形。对于稳定性控制或空调压缩机等依靠大电流的负载,48V 系统可实现安全性和舒适性功能,在性能和效率上更具优势。另外,储存的能量可随时用于为车窗除霜并更快地加热座椅。现在,越来越多制造商正在使用新型红外发热板直接为乘客供热,而不会浪费电能来加热汽车的其余部分。但是,红外发热板的挑战在于每个座椅需要约 500 瓦功率,这给 12V 电气系统带来了很大压力。48V 系统则不在话下。

 

事实上,许多汽车制造商正在将起动机和发电机、直流 / 直流转换器和电池管理等系统以及 HVAC 压缩机、正温度系数加热器和接线盒之类的车身电子器件转为 48V。

 

Tier 1 的成功尝试,为什么不是 64V、72V?

德尔福项目及工程管理副总裁 Mary Gustanski 进一步解释道,用 48V 电力而不是 12V 电力来运行汽车,不仅因为减少了损耗(这是通过高压电线传输电力的原因),而且因为泵和风扇在更高电压下运行得更有效。不过,更重要的是,48V 电源为传统上由发动机驱动旋转的设备提供了足够的电力。

 

她举例说,因为冬天刚过,你正以 4000 转 / 分的速度驱车上山。在传统汽车上,由发动机驱动的水泵会快速旋转,并通过发动机输送大量的冷却液。但是,由于外面很冷,发动机可能不需要那么多的冷却液来保持发动机运转。因此,如果使用电动水泵,就可以根据冷却要求,通过节流来节省能源。

 

另一个例子是,一个 48V 的交流系统在高速公路巡航期间以低速运行压缩机,而不是以由发动机转速控制的非常高的速度运行。这里的要点是,允许部件以基于所需输出的速度运行,而不是简单地基于发动机转速,这对效率有很的好处。

 

Mary Gustanski 甚至提到使用 48V 电源可以更快地加热柴油机排气系统中的催化剂,以减少排放。在这两者之间,增加了电气功能,可以实现再生制动,从电动机的增压减少发动机负荷,不依赖于发动机转速,更有效地驱动部件,并减少涡轮增压器滞后。可以肯定的是,这项技术的好处远远超过了提高 15%的燃油经济性。豪华车上尤其如此。例如,宾利宾塔伊加(Bentley Bentayga)使用 48V 电池驱动防倾杆系统系统,获得了更好的操控性,奥迪则使用 48V 电池组为电动增压器提供动力。

 

她解释说,48V 技术可以极大地提高车辆的启动能力。本田思域(Honda Civic)的“E-charger”可以在停止 / 启动中以较低的发动机转速启动车辆的涡轮,基本消除了涡轮迟滞和低转速扭矩不足,使低速扭矩增加 25%,加速性能提高 30%。

 

所以 48V 的系统意味着车内可以有更多电子设备,而且意味着引擎盖下有更多的性能,这是 12V 电池所无法企及的。不过,未来的 48V 设计并不是要完全取代目前的电力架构(就像汽车业在 20 世纪 90 年代考虑用 42V 系统却半途夭折那样,完全弃用 12V 牵扯到的复杂性和成本过高导致推广阻力过大),其本质上是以一种温和的混合动力起到了补充作用。换言之,一个新的电动机和 48V 电池只是简单地添加到内燃机和普通的 12V 电池上,类似于通用汽车别克君越的 BAS 混合动力车。

 

与通用的老款电气化动力系统类似,大多数新的双电压轻混动力设计(如雷诺风景(Scenic)的 48V 系统)由三个主要部件组成:皮带发电机起动器(也称为皮带驱动起动器发电机或电机发电机组,MGU)、直流 - 直流转换器和更高电压的电池。这三个部件旨在轻松适应普通非混合动力汽车的电气系统和包装环境,MGU 取代了前端附件驱动上的传统交流发电机,DC-DC 转换器和电池在后备箱中占据了少量空间。这使得 48V 轻混车成为一种相对便宜、容易和轻便的方式。Mary Gustanski 称之为“一辆完整的混合动力车,50%到 70%的好处,却只有 30%的成本。”这 50%到 70%意味着约 10%到 15%的燃油经济性改善。

 

在 Continental 和 Delphi 的 48V 系统中,使用的是是一个锂离子电池,大小与鞋盒(图中黑色)差不多。1kWh 以下的电池组通过安装在后备箱上的 DC-DC 转换器(带风扇的银盒)向一个 12V 的小铅酸蓄电池输送电能,后者降低电压,为汽车的 12V 附件供电。加上保险丝和电池控制器,也占不了很大空间,在生产车型中,它们会被放行李箱下面。

 

德尔福的 48V 系统就占这么小空间

 

采用高压电池还有一个明显的意思,Mary Gustanski 说,48V 电池可以提供 4 倍于 12V 电池的车载功率,这意味着它可以用来驱动大量的高牵引附件,如风扇、泵、电动转向架和压缩机,让它们更有效地工作。此外,因为在较高电压下通过导线的电流较低,线束的尺寸和重量都减小了。

 

与交流发电机一样,发动机发电机组通过附件皮带与发动机曲轴相连,除此之外,48V 机组通常采用液体冷却,并配有特殊的张紧器,以适应 MGU 和 MGU 将施加扭矩的事实。在第一种情况下,大约 10kW 的单元充当一个电机,通过逆变器接收来自车尾的行李箱中 48V 锂离子电池的电流,该逆变器将直流电源转换为交流电源来驱动电机。然后,发动机通过传动带让汽油或柴油发动机转起来。在启动 / 停止事件(12V 启动机仍用于冷启动)后快速启动内燃机,向发动机提供高达 100 磅英尺的扭矩“增强”以提高加速性能(尤其是在启动 / 停止事件后),将计算出的扭矩脉冲发送到发动机以减少启动 / 停止振动,或在其他时间减少发动机负载,以最大限度地提高燃油经济性。

 

这个装置不仅像马达一样工作,同时向曲轴传递扭矩,所以它也是一个发电机,接收扭矩是为了完成其最基本的任务,即为汽车后部的 48V 电池组发电。这不仅发生在发动机启动和皮带旋转时(如使用传统交流发电机),而且发生在发动机关闭和车辆滑行或制动时。这意味着内燃机能够切断燃料供应,车轮实际上通过一个锁定的变矩器转动内燃机。发动机曲轴上的皮带带动发动机旋转,为 48V 电池提供能量。因此,该装置的作用不仅是在启动 / 停止事件后无缝启动汽车,执行交流发电机的充电任务,同时通过在曲轴上施加扭矩来减少发动机上的负载,而且还允许再生制动。

 

既然高电压好,那为什么不是 64V、72V 呢?她说,更高电压的电池可以提供更大的容量,但政府标准要求使用昂贵的屏蔽、导管(许多混合动力车中看到的橙色导管),而任何高于 60V 的汽车电气系统连接器都被称为“高压”)。将电压保持在这个阈值以下意味着这些温和的混合动力系统的总成本可以保持在 80 到 1200 美元之间。这一点很重要,因为汽车制造商愿意为节油技术付出的“经验法则”是每 MPG(每加仑汽油可行驶英里数)增益为 50-100 美元左右。增加 10%到 15%的里程,轻混动力系统可以做到。

 

未来如何走?

有专家预计,到 2025 年,48V 技术将达到全球汽车销量的五分之一。除了减少有害废气排放并提高燃料经济性外,由 48V 电气系统实现的功率增加还可满足消费者对高科技信息娱乐、便捷性和辅助驾驶安全功能日益增长的需求。

 

今天,业内很多制造商已接受这一变革。不过,在新能源与节能汽车领域,中国市场目前仍由纯电动和插电式混合动力汽车占据着绝对优势,48V 系统仍未批量应用于市场。总的来看,2020 年将是 48V 系统市场爆发的时间点,迎来第一轮高速增长只是时间问题。