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內燃機汽車平均油耗不達標,48V是解決之道嗎?

2019/03/31
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發(fā)明汽車的卡爾·本茨或許從未想過未來的汽車上會加裝蓄電池。

他的第一臺三鹿汽車上,僅有一臺內燃機作為動力源,比其現代的汽車,可以說是相當的“簡陋”。

1918 年,人們開始在汽車上加裝蓄電池,到 1920 年逐漸普及。當時的電池電壓是 6V。隨著內燃機排量的增加以及高壓縮比內燃機的出現,6V 系統(tǒng)已經不能滿足需求,于是在 1950 年引入了 12V 系統(tǒng)。

到了 1988 年,SAE(Society of Automotive Engineers)提議把標準電壓提高至 42V,但是由于種種限制,響應者寥寥。因為汽車上的電子設備大多都是使用 12V 的蓄電池組來供電,在以往的車型上,空調壓縮機由發(fā)動機經皮帶帶動,蓄電池組除了給啟動引擎提供電源啟動車輛外,最多就是為大燈、儀表、娛樂系統(tǒng)等設備供電使用,所以 12V 是已經是夠用的了。

隨著電氣設備的增加,電池已經不能滿足車身設備的功率需求了,汽車企業(yè)們仍然不肯放棄 12V 的電壓方案,他們采取了切斷大功率負載的方法來降低電池的負荷。

但是在 12V 電壓系統(tǒng)在引入啟停功能之后,基本已經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,另外,12V 電壓系統(tǒng)對剎車或滑行的能量回收這種有效的節(jié)能技術手段的支持也并不理想。從節(jié)能和功率極限來看,12V 系統(tǒng)在未來的前景幾乎是“一片黑暗”。

根據去年 4 月 1 日開始施行的《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》(簡稱“雙積分”政策)要求,車企除了要發(fā)展新能能源汽車外,也要積極改進內燃機汽車的平均燃油消耗量。

按照工信部發(fā)布的油耗標準要求,在 2016—2020 年之間,傳統(tǒng)內燃機汽車的百公里油耗的達標值要從 6.9L 降到 5L,油耗低于達標值才能獲得相應積分,作為國家對車企的考核標準。

不僅是在中國,在美國、在歐洲,他們對汽車的節(jié)能減排有著更加嚴格和苛刻的規(guī)劃;比如美國的 CAF 標準,到 2025 年就要達到百公里 4.3L 的平均油耗;而歐洲更為激進,在 2020 年必須要達到百公里油耗 4L 左右。面對這個看似不可能完成的任務,單單依靠改進、優(yōu)化發(fā)動機以及進排氣系統(tǒng)似乎點無濟于事,看著歐洲和日本一樁樁油耗、排放造假事件,要想達標也只能另辟新徑了。

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于是在 2011 年,奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾聯(lián)合推出 48V 系統(tǒng),以滿足日益增長的車載負載需求,更重要的是為了滿足 2020 年嚴格的排放法規(guī)。并在隨后發(fā)布了 48V 系統(tǒng)規(guī)范 LV148。

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LV148 規(guī)定的電壓范圍

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48V 混合動力又被稱作 Mild Hybrid。雖然沒有明確的規(guī)范劃分,但在世界汽車行業(yè)中,絕大多數從業(yè)者習慣把豐田、福特、通用這類混合動力技術稱為“Strong Hybrid”(也就是我們通常廣義泛指的混合動力技術,以下簡稱廣義混合動力),像自動啟停這種僅需 12V 電壓就可以帶動的技術稱為“Micro Hybrid”。所以,夾在中間的 48V 混合動力技術就自然成為了“Mild Hybrid”。

48V 混合動力的基本原理與豐田福特等車企的廣義混合動力技術一樣,都是通過電動機與內燃機并聯(lián)運行,以提供額外的驅動力,同時兼具動能回收功能。但不同的是,48V 混合動力相比廣義混合動力技術占地更小,重量更輕,成本更低,同時在部署的難度上也更加容易。而相比 12V 電壓的 Micro Hybrid,48V 混合動力技術則具有更好的節(jié)油效果和更強的功能性。

在新能源汽車日益發(fā)展的現在,48V 已經成了廣大新能源汽車們的標配,為什么越來越多的車企采用了 48V 的電壓方案?除了與非網小編在上文提到的 12V 電壓系統(tǒng)的局限以外,48V 不可忽略的優(yōu)勢也是它獲得青睞的重要因素。

48V 系統(tǒng)的基本思路,其實就是通過把車用設備的標準電壓提高到 48V,這樣,空調壓縮機、水泵、真空泵等都可以轉化為電子驅動,在 48V 的基礎上,能誕生大功率的 BSG 電機(皮帶傳動啟動發(fā)電一體化電機)或集成 ISG 電機(汽車啟動發(fā)電一體化電機),從而組成一個輕混系統(tǒng)(MHEV),甚至,48V 還能為我們帶來電子渦輪增壓器,讓汽車性能進一步提高。

此外,48V 電壓低于 60V 相對安全,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,而比起 12V 系統(tǒng),輸出相同功率的工作電流只有 12V 的 1/4,損耗也比 12V 系統(tǒng)要小。更重要的是,48V Belt Starter Generator (BSG) 容易替代原有的 12V Belt Starter Generator,無需大幅更改設計即可配套,這樣 12V 系統(tǒng)被 48V 所替代,也只是時間的問題了。

但是不可否認的是,48V 也存在一些缺點,隨著電壓的升高,電磁兼容要求會更高,對系統(tǒng)設計也提出了更加嚴格的要求,在 48V 電壓下會存在電弧,是風險隱患,同樣也需要增加相應的設計來避免,在成本方面,48V 也比 12V 啟停系統(tǒng)成本高,節(jié)能效果不如高壓混動系統(tǒng)。

廠商們當然也會著力部署 48V 電力系統(tǒng),國內外廠商們都在積極研發(fā)自家的 48V 系統(tǒng),目前有:大陸集團、博世、德爾福、法雷奧、日立等國外企業(yè)有相關的產品,國內有:江森自控、萬向集團、寧德時代、比亞迪、中航鋰電等。

在各大廠商們積極部署 48V 的時候,傳統(tǒng)的燃油車企該怎么辦?與非網小編在此總結如下:

  1. 順應 48V 潮流,研究混動系統(tǒng)

這也是大部分車企都在做的事情,大眾、長安、吉利、廣汽、長城、比亞迪、一汽等都在進行布局,世界各國也公布了禁售燃油車的時間表,12V 汽車電力系統(tǒng)也會隨著燃油車的消失而逐漸推出歷史舞臺。

  1. 另辟蹊徑,開發(fā)比 48V 更好的平臺

48V 雖好,但是仍然有缺點,電壓在 48V 以上的解決方案目前研究較少,如果能找到比 48V 更節(jié)能成本更低的解決方案,那么這個方案就會像 48V 替代 12V 一樣逐漸成為主流,但目前而言 100V 以上的方案的成本都非常的昂貴,很少有企業(yè)能負擔得起。

綜上,48V 成了傳統(tǒng)燃油車企的必經之路,早早地進行布局才不至于落得“被挨打”的下場。

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