淺析48V輕度混合動力系統(tǒng)

◆文/山東 李金棟

一、48V 輕度混合動力系統(tǒng)簡介

48V輕度混合動力被稱作 Mild Hybrid(輕度混合動力,也被稱為軟混合動力、微混合動力等），雖然沒有明確的規(guī)范劃分，但在汽車行業(yè)中，人們習慣把豐田、福特、通用這類混合動力技術(shù)稱為Strong Hybrid(泛指混合動力技術(shù)，以下簡稱廣義混合動力)，而像自動啟停僅需12V電壓就可以帶動的技術(shù)稱為Micro Hybrid(也被稱作輕度混合動力)。

48V輕度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(shù)一樣，都是通過電動機與內(nèi)燃機并聯(lián)運行以提供額外的驅(qū)動力，同時兼具動能回收功能，但48V輕度混合動力相比廣義混合動力技術(shù)而言占地更小、重量更輕、成本更低、布置難度更低，而相比12V電壓的輕度混合系統(tǒng) ，48V輕度混合動力技術(shù)具備更好的節(jié)油效果和更強的功能性。

在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域目前沒有任何一款車型搭載48V系統(tǒng)。在混合動力領(lǐng)域，48V鋰離子電池組系統(tǒng)主要應(yīng)用在輕度混動力系統(tǒng)，處于研發(fā)和限量生產(chǎn)的水平。到2025年，48V輕度混合動力汽車預(yù)計將占到全部混動汽車的一半以上，95%的輕度混合動力汽車以后將會采用48V方案。

二、48V輕度混合動力被廣泛使用的原因

眾所周知，功率=電壓×電流，如果要輸出輕度混合動力所需的10～20kW功率，使用12V時電池輸出的電流需達到1 000A，這明顯不合理，因此提高電壓成為最為可行的辦法，所以最終綜合成本和效果等方面選擇了48V輕度混合動力，同時電壓增高可以帶動更大功率的電子渦輪、主動懸架系統(tǒng)、電助力轉(zhuǎn)向及電動機等。

雖然將普通燃油車變成輕度混合動力車只需要加一個小型的混動系統(tǒng)即可，但輕度混合動力車的節(jié)油效果較好，我們在燃油車里常見的12V自動啟停系統(tǒng)節(jié)油效果為5%～6%，而48V輕度混合系統(tǒng)的節(jié)油效果達到14%～17% ，油電混合動力系統(tǒng)的節(jié)油效果通常在17%～21%；在成本方面，48V輕度混合系統(tǒng)的成本只有油電混合系統(tǒng)的30% ，因此，48V輕度混合動力系統(tǒng)可達到事半功倍的效果。但48V輕度混合系統(tǒng)的電動機比混合動力系統(tǒng)的電動機小，不足以讓汽車在純電狀態(tài)下加速，因此仍需搭配發(fā)動機同時使用。

三、48V輕度混合系統(tǒng)的電氣架構(gòu)

48V輕度混合系統(tǒng)可以看成是12V啟停系統(tǒng)的升級版，它增加了48V儲能電池、48V/12V 雙向 DC-DC變換器、電動增壓器(可選配置)、48V BSG/ISG(汽車發(fā)動發(fā)電一體機)、電池管理系統(tǒng)等。48V 輕度混合系統(tǒng)的電氣架構(gòu)如圖1所示。

圖1 48V 輕度混合系統(tǒng)的電氣架構(gòu)

然而為了提高系統(tǒng)的兼容性，同時降低推廣的難度，現(xiàn)在業(yè)界推出的主流方案都是 12V+48V，而不是直接使用48V系統(tǒng)，這樣既保留了原先的12V系統(tǒng)，對于負載大的還可用48V來驅(qū)動。

四、48V輕度混合動力系統(tǒng)工作模式

12V系統(tǒng)升級到48V系統(tǒng)后，除了自動啟停功能之外，還具備發(fā)動機停機滑行、滑行與制動能量回收、加速助力和電巡航等功能，電壓增大還可為車輛內(nèi)部的電子設(shè)備提供更多的功率，同時駕駛體驗和節(jié)能效率方向也得到了升級。在不同的工作模式下，48V輕度混合動力系統(tǒng)會有不同的表現(xiàn)。

1.在等紅綠燈時，車輛靜止狀態(tài)下，發(fā)動機處于關(guān)閉狀態(tài)，48V大容量電池利用存儲的能量維持車載電氣的正常運行，發(fā)動機可以隨時快速啟動。

2.能量回收可以將動能轉(zhuǎn)化為電能并存儲到電池中，僅能量回收功能就可以降低約5%～7% 的油耗。

3.混動系統(tǒng)可以減小發(fā)動機的排量，在提速階段，電機的輔助動力可以彌補發(fā)動機動力的不足，可在不損失動力的情況下降低排放。

4.在車輛勻速運行并且電池電量充足的情況下，關(guān)閉發(fā)動機噴油系統(tǒng)，依靠電機來維持車輛運行。電機提供的動力用來抵消行駛阻力以及發(fā)動機的拖拽阻力。BSG/ISG在高速巡航階段，電能充足的情況下，可徹底分離且關(guān)閉發(fā)動機，僅靠電機保持車輛巡航。當再次踩下油門踏板，發(fā)動機會迅速啟動，平滑切入到當前車速。

5.松開油門，車輛處于滑行階段，離合器分離發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的機械連接，徹底關(guān)閉發(fā)動機，實現(xiàn)更長的行駛距離。相當于傳統(tǒng)車輛空擋滑行，只不過傳統(tǒng)車輛在切換到空擋滑行之后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在降到怠速時依然需要噴油來維持發(fā)動機的運行。

五、48V輕度混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢

相對于12V系統(tǒng)和廣義的混合動力系統(tǒng)而言，48V輕度混合系統(tǒng)擁有比較明顯的優(yōu)勢。

首先，48V 輕度混合動力系統(tǒng)更加安全。在我們學到的物理學基礎(chǔ)知識里，我們通常都認為36V以下才是安全電壓，但在高電壓的電動汽車當中，36V作為安全值并不科學。一方面人體電阻的阻值存在很大的個體差異，另一方面人類所處的環(huán)境會對人體阻值產(chǎn)生影響，例如，潮濕的夏天人體阻值會變小，而在干燥的冬天阻值則會增大。根據(jù)多方面因素綜合考慮，目前國際上通常認為60V以下的直流電壓和25V以下的交流電壓屬于安全電壓。

其次，48V輕度混合動力系統(tǒng)成本更加低廉。48V混合動力本身標稱電壓就在60V以下，即使算上由于SOC(state of charge，荷電狀態(tài))較高時導(dǎo)致的電壓波動，48V混合動力系統(tǒng)的電壓峰值也不會超過58V ，所以不需要采取額外的電壓防護措施(許多國家規(guī)定電壓超過60V需安裝防護措施)，相對與上面廣義上的混合動力來說，成本更低。

此外，48V輕度混合動力系統(tǒng)的通用性更強。48V輕度混合系統(tǒng)可兼容更多不同的用電設(shè)備，比如車載領(lǐng)域出現(xiàn)越來越多的娛樂化大屏和復(fù)雜的汽車中控系統(tǒng)。同時，48V輕度混合系統(tǒng)可提供更大容量的蓄電池，將傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車上依靠發(fā)動機來負載的空調(diào)壓縮機、冷卻水泵等設(shè)備通過電池來負載，不僅可有效降低發(fā)動機的負荷，也可以在發(fā)動機關(guān)閉的情況下使用這些大功率設(shè)備。

最后，48V輕度混合動力系統(tǒng)的節(jié)能減排效果更好。由于BSG/ISG技術(shù)的幫助，48V輕度混合動力系統(tǒng)可以進一步縮小發(fā)動機的體積，進而降低排放。同時，利用電動渦輪來替代機械渦輪，還能進一步提高發(fā)動機的效率。48V輕度混合動力系統(tǒng)可以實現(xiàn)滑行啟停、動能回收、輔助加速等功能，有效避免了燃油的不必要消耗。與廣義混合動力汽車相比，48V輕度 混合動力系統(tǒng)僅需要30%的成本就可以達到70%的效果，因此性價比非常高。