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48V系统将给汽车产业带来一场革命

来源:半导体行业观察 | 时间:2017-1-17 10:56:00 |  【字号:

在过去的每一年,汽车产业都会带来更新、更复杂的高端技术。也就是在这些技术的推动下,加上史无前例的严排放法规,给汽车的电源带来了更高的需求。 正是在这些因素的影响下,48V电子系统在汽车领域正如野火一样在全球蔓延。有专家预测,到2025年,有五分之一出售的汽车会搭载48V电子系统,这将会构建一个新的宏伟蓝图。但是我们得承认,48系统并不是什么新技术。

在和德尔福和大陆两家主要汽车供应商的相关负责人进行了深入交谈之后,我对48V系统怎么工作和为什么这么流行有了深入的了解。主要有两个原因:第一个,也是最重要的,那就是满足政府规定的严格排放标准;第二,就是让汽车拥有更强劲的动力。

提升电力负荷

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德尔福的48V电动增压器“E-charger”

在过去的十几年,汽车制造商已经用越来越多的高科技、高效率的新技术取代传统的机械配件。如:电动助力助向、电动制动真空泵和电动水泵。紧接着,汽车制造商更是将信息娱乐系统、自适应巡航控制、车道偏离警示系统和盲点监测等一系列新技术引入了汽车。加上传统的座椅加热、加热方向盘和加热挡风玻璃。

在这种环境下,标准的12V电子系统变得越来越捉襟见肘。于是48V系统便逐渐被提上了日程,帮助满足日益增长的汽车需求。在豪华车上面,这种趋势越来越明显。

例如Bentley Bentayga,就用了一个48V的电池去驱动电动防倾杆系统,以达到更好的操控。而奥迪也同样用了同样的电池包去为电动增压器供电。

德尔福的工程副总Mary Gustanski表示,后者的这个技术对于提高汽车的加速能力有很大的帮助。该公司的“E-charger”被应用在本田的新思域上面,让汽车在很低的引擎转速的时候在汽车的启停方面了了很大的提升。

48V系统是怎样工作的?

在谈48V系统之前,我们要先了解一下其概念。

所谓48V系统,是指几家德国整车和零部件制造商共同倡导的一种低成本节油技术方案。该系统是一种低混合动力系统,也可以把它看成是起停系统的升级版。该系统电压为48V,用能量小于一度电的功率型锂离子电池代替传统的铅酸电池,用BSG电机代替传统的启动电机和发电机。它不但具有怠速启停功能,还具有发动机停机滑行、滑行与制动能量回收、加速助力和电巡航功能。更重要的是,其单车成本不会超过5000元人民币。

尽管现在大家都在谈48V系统,但现在基本上我们汽车上的灯光、发动机配件、车载娱乐信息系统等都是使用的12V系统。

但不同于上世纪90年代业界想用42V系统完全取代的做法,这次48V系统知识想作为12V的重要补充,探讨一种混合的解决方案。换句话说,新型的电动机和48V电池是被添加到传统的内燃机和12V电池上,作为一个强力补充。这和你现在在GM BAS Hybrid、Buick LaCrosse 和Saturn Aura看到的系统比较相似。

与古老的GM电力总成一样,很多新的双电压混合动力设计(和Renault Scenic的48V系统一样) 包含了三个主要部件:MGU(Motor Generator Unit)、DC/DC转换器和一个高电压电池。这里,MGU可以替代前端辅机驱动的传统交流发电机,DC/DC转换器和电池的作用也日益重要。

也就是这样,让48V系统的实现变得相对便宜和简易。 “这可以在30%花费的情况下,达到50%到70%的收益”,Gustanski说。这个50%到70%的提升可以节约15%燃料,他继续说。

大陆集团也认同这种观点。他们表示,在他们的最初的NEDC环境测试中,同样可以获得13%的燃料节省,在真实的应用中,这个数据有可能达到21%。这是非常惊人的。

锂离子电池和DC/DC转换器

这是德尔福在今年CES现场展示的原型,包括了电池、DC/DC转换器、保险丝和电池控制器,他们占领的空间不大,在实际应用中,他们是隐藏起来的。

在德尔福和大陆的48V系统中用到的电池是锂电池单元,电池的尺寸只有鞋盒那么大(上图的黑盒子),这个低于1Kwh的电池包将能源传输到一个12V的铅酸电池,当然,这是要借助一个DCDC转换器才能实现的(上图带风扇的银色盒子)。这是为了将电压降低,满足车上12V设备的供电需求。

为什么需要48V的大电池?Gustanski表示归根到底是效率和成本的问题。

一个48V的电池能够支持的汽车配件是12V电池的四倍,这就意味可以用这个电池可以同时给更多的设备供电。例如风扇、电动助力转架、泵和压缩机。这样的话,就可以使得产品更有效率。除此之外,这对电子线束尺寸和重量也了很大的改善。

Gustanski也承认,更高的电压,带来的影响力也更大。

联邦标准规定下,在汽车电子系统中,如果电压高于60V(官方规定的高压),会带来个更高标准的屏蔽、线管和连接器的需求,势必也会带来更大的成本。将电压保持在这个电压以下,意味着这个轻度混合动力系统的成本能够停留在800到1200美金之间。

也正如Gustanski所说,根据“拇指法则”,汽车制造商在MPG获得的燃油节省技术上面投入的成本有个期望,那就是每提高一个百分点可以支付的成本为50到100美金。这个轻度混合动力成本正是满足需求的产品。

电动发电机组

和交流发电机一样,电动发电机组通过一个皮带连接到引擎的曲轴。这个48V的单元通常是液冷的,因此会有一个特别的拉紧器去适应曲轴会被MGU应用的事实。

在第一个例子,大概10kW的单元就像一个电机,借助一个逆变器,它就能够从48V的锂电池获得电流,这样就能驱动电机。 电机通过传送皮带将动力传送给汽油或者柴油引擎,将其“点燃”。这个应用在启停的时候,也能快速“点燃”引擎(12V系统需要冷启动),这样做的就能将扭矩提高100左右,进而改善加速性能(尤其是在启停的时候)。传送经过计算的转矩脉冲到引擎,还能降低启停时候的震动,或者降低引擎负载,降低燃油消耗。

这个单元不但充当电机,将转矩传送给曲轴,也正如名字所说的一样,它还是一个发电机。在接收到转矩之后,它又会给48V的电池组充电。这个不但在引擎工作的时候能通过皮带带动(像传统的交流电机)充电。在引擎关闭之后,滑行和刹车的时候,同样能够充电。

这意味着内燃机可以切断燃油供应,同时,车轮可以通过一个锁定的转矩变换器带动内燃机转动。发动机曲轴的传送带然后带动单元,这样同样为48V电池供电。

因此,这个单元不但可以在启停的时候无缝启动汽车,还能执行交流发电机的充电。更能通过利用曲轴上的转矩降低发动机的负载。当然,这个也允许再生制动器。

不同级别的轻度混合系统

德尔福的Mary Gustanski告诉我,他们需要聚焦在MGU驱动的轻度混合系统(这种统称P0轻度混合系统),但是这些低成本的系统对于EV来说是一个捷径,因此他们的下一步目标就是P2系统。

所谓的P2系统和奔驰的“Mercedes’ inline starter generator”系统一样,相对而言是比较贵的。同时其应用也会给汽车的内部设计带来新的变化(如现在的电动发电机单元是处于引擎和传送带之间),也会对离合器等配件造成影响。 P2的目标是允许电机直接给车轮提供动能,而不需要借助引擎。这样就可以大大提高效率。

上面图片展示的大陆P2系统就有一个动力传动系统处在引擎与变速系统之间。且通过两个离合器分开两个配件。MGU则被放置到另一边,通过皮带提供转矩。

为了只通过电给车提供动能,而不是通过带动一个不运行的引擎,引擎端的离合器需要打开。电机通过皮带和动力传动滑轮系统带动变速器输入轴。

在一个大热天应用启停的时候,两个离合器都会打开,这样的话单元可以将动能传送给空调压缩机,而不需要通过借助移动汽车或者转动引擎。

为P2制造空间是一个重要的任务,我们会发现这个比P0系统更好的系统的元件很快会以不同的方式装进全球的汽车里。这种纯粹用电驱动的方式还可以在引擎停止的时候,运行空调,这样不但会带来更好的节油率,还可以带来更舒服的体验。

一切都是为了更高的效率

传统用皮带驱动的空调压缩机

大陆和德尔福的相关人员告诉我,48V系统变得越来越流行了,而主要可以归功于以下这个因素:那就是满足燃油经济和二氧化碳排放标准。尤其在欧洲和中国,这两个点的受关注程度尤其高。到2020年,前者每公里的行驶带来的二氧化碳排放为95克,而后者到2021年每公里带来的二氧化碳排饭也会达到117克。而美国本身的MPG需求显示,到2025年,每公里行驶的带来的二氧化碳排放为101克。

48V系统取代12代系统带来的不仅是成本的节约,还是减排的需求,同时泵和风扇在高压的时候,带来的效率提升也是非常明显的。更重要的是,48V的系统能够提供更多的电能,满足不断增加的各种汽车功能的需求,同时还能解放一些以往智能由引擎驱动的设备。

例如传统的水泵和空调,就是最明显的改变。

例如在一个寒冬里,你开的车正在用4000的转速爬山。在传统的汽车里,由引擎带动的水泵会把很多冷却液传送给引擎。但实际上因为外界环境也很低,所以压根就不需要冷却液来帮引擎降温。因此如果我们使用的是电水泵,这个问题就有可能避免。

Gustanski举了另一个例子。汽车在高速上高速定速巡航的时候,如果能用电驱动空调的话,就不需要像传统汽车的做法,在如此高的发动机转速下导致空调压缩机的高速度。换句话说,这套新系统的出现,能够让汽车的某些配件能够按需运行。

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Gustanski甚至提到,利用一个48V给柴油车迅速加热催化剂,减少排放。

毫无疑问,48V汽车系统将会成为主流。IHS的报告甚至显示,到2025年,48V的系统的市场容量会提高九倍,届时大概有1400万辆汽车引入了这个系统。

这对德尔福和大陆这样的供应商来说,是一件很好的事情。对消费者来说,这同样也是一个好事。这不但带来了更好的燃油经济,也带来了更多更好的电子体验。同时还提升了性能。当然成本的减少,这样才是更直接的优势。
 
 
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