基于多種混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型的48 V技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

董學(xué)鋒 王軍雷 梁金廣

（1.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130011；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；3.營(yíng)口理工學(xué)院，營(yíng)口 115016）

主題詞：乘用車 48 V技術(shù) 應(yīng)用與展望

1 48 V系統(tǒng)概述

迫于環(huán)境壓力，為了滿足節(jié)能減排的要求，汽車節(jié)能技術(shù)形成了多條技術(shù)路線，如柴油化路線、混合動(dòng)力化路線、純電動(dòng)化路線等。汽車上電氣部件和電動(dòng)部件越來越多，12 V電壓的蓄電池電量已顯不足，無法長(zhǎng)時(shí)間為車用電氣設(shè)備提供足夠的電能，因而48 V電池系統(tǒng)的開發(fā)受到重視，國(guó)外知名廠商已開發(fā)出多款基于48 V系統(tǒng)的產(chǎn)品，并已取得很好的應(yīng)用效果。

圖1所示為奧迪Q8的混合動(dòng)力系統(tǒng)[1]，裝有48 V皮帶傳動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)（Belt-driven Starter/Gen?erator，BSG）和電動(dòng)壓縮機(jī)。另外，主動(dòng)懸架[2]（見圖2）、主動(dòng)（電動(dòng)）橫向穩(wěn)定器（見圖3a）也都是基于48 V系統(tǒng)開發(fā)的。博格華納最新推出的功率為5 kW的eBooster?電子增壓器（見圖3b）也采用48 V技術(shù)，渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)從eBooster?到eTurbo?同樣靠48 V系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

裝有48 V電源系統(tǒng)的車輛可使用電機(jī)起步，滑行時(shí)可用電機(jī)回收能量，全油門時(shí)電機(jī)可協(xié)助輸出動(dòng)力，電動(dòng)空調(diào)在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后仍可工作。對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)來說，48 V電氣系統(tǒng)不僅優(yōu)化了自動(dòng)起停功能，還具備了發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)滑行、制動(dòng)能量回收、加速助力和純電運(yùn)行功能。相比于12 V系統(tǒng)，48 V系統(tǒng)電壓更高、可帶動(dòng)更多電氣設(shè)備、可提高動(dòng)力電機(jī)功率、為汽車電路系統(tǒng)的用電器提供更大的能量。48 V的混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)整車布局不是顛覆性的，相比于90 V或更高電壓的系統(tǒng)，成熟度較高，成本可控。48 V系統(tǒng)的最高充電壓是56 V，在高壓保護(hù)方面比較簡(jiǎn)單。48 V系統(tǒng)的缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)比強(qiáng)混系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)功率小、電壓低，不足以支撐汽車在純電狀態(tài)下加速，仍需搭配發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

圖1 奧迪Q8的48 V系統(tǒng)[1]

圖2 奧迪A8的48 V主動(dòng)懸架[2]

圖3 48 V橫向穩(wěn)定器和48 V增壓器

系統(tǒng)的電壓間接決定混合動(dòng)力的深度和上限，電壓可有效提高電機(jī)功率，高轉(zhuǎn)速時(shí)也可獲得更大的扭矩。目前也有采用90 V系統(tǒng)的輕混車輛，與48 V系統(tǒng)相比功率更高，在輔助驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)能量回收、起步驅(qū)動(dòng)等工況下表現(xiàn)更好、可塑性更強(qiáng)，不過也需配備更大直徑的高壓保護(hù)線，碰撞安全要求也更高。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型分析

2.1 混合動(dòng)力產(chǎn)品分類與構(gòu)型

混合動(dòng)力汽車可分為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV）、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV）和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PSHEV），或分為普通混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）和增程式電動(dòng)汽車（Ranger Extended Electric Vehicle，RE-EV），按混合程度又分為微（弱）混汽車（Micro Hybrid Electric Vehicle）、輕（中）混汽車（Mild Hybrid Electric Vehicle）和強(qiáng)（重）混汽車（Full Hybrid Electric Vehicle）。

對(duì)于單電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)電機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的位置，混合動(dòng)力方案可分為5種構(gòu)型，即P0、P1、P2、P3和P4，如圖4所示。P0構(gòu)型的電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，以皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，又稱為BSG，受傳力的皮帶所限，多屬具有起停功能的弱混。P1構(gòu)型的電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)后端與發(fā)動(dòng)機(jī)剛性相連，也稱為起動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)（Integrated Starter and Generator，ISG）；因無法與發(fā)動(dòng)機(jī)脫開，輸出的動(dòng)力受發(fā)動(dòng)機(jī)拖累，多以輕或中混為主。P2構(gòu)型的電機(jī)安裝在變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)中間的離合器之后，這種構(gòu)型技術(shù)簡(jiǎn)單易行，成本較低，但效率不是很高；P3構(gòu)型的電機(jī)安裝在變速器輸出軸；P4構(gòu)型的電機(jī)安裝在后橋上，這種技術(shù)多與其他構(gòu)型聯(lián)合使用。

圖4 混合動(dòng)力的5種技術(shù)構(gòu)型

2.2 不同構(gòu)型的功能特征

2.2.1 P0構(gòu)型

P0構(gòu)型如圖5所示，電機(jī)輔以較大蓄電池，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，電機(jī)仍可帶動(dòng)空調(diào)的機(jī)械壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。皮帶柔性連接效率有限，故電機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供助力和回收動(dòng)能的能力有限，BSG適用于自動(dòng)起停，單獨(dú)使用時(shí)以12～25 V微混和48 V輕混為主，實(shí)際常與其它構(gòu)型配合使用。

圖5 奧迪A8的BSG[2]

2.2.2 P1構(gòu)型

P1構(gòu)型將ISG固連在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪處，取代傳統(tǒng)飛輪，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與ISG電機(jī)轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)，支持發(fā)動(dòng)機(jī)起停、制動(dòng)能量回收。圖6所示為P1構(gòu)型示例。除自動(dòng)起停、微混和輕混外，ISG也用在100～200 V的中混系統(tǒng)中。

P1構(gòu)型的電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)剛性連接，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輔助，需要時(shí)，ECU控制ISG補(bǔ)充動(dòng)力，保持動(dòng)力輸出與經(jīng)濟(jì)性的平衡。在制動(dòng)過程中，ISG可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，還可依據(jù)車速施加輔助制動(dòng)力矩。因電機(jī)與曲軸必須同步轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)需要較大的扭矩和體積，同時(shí)軸向尺寸需要較小從而可置于原有飛輪的位置，成本較高。

圖6 奔馳S400 Blue Hybrid[5]

P1沒有純電模式，多為中混，不適合強(qiáng)混汽車。與BSG相比，ISG更節(jié)油，同時(shí)，較高的驅(qū)動(dòng)力矩使得動(dòng)力性能更佳，但成本也更高。P0和P1構(gòu)型的缺點(diǎn)是，電機(jī)與曲軸必須同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在制動(dòng)能量回收和滑行模式下，也因帶動(dòng)曲軸空轉(zhuǎn)而浪費(fèi)動(dòng)能并增加噪聲和振動(dòng)。

2.2.3 P2構(gòu)型

P2構(gòu)型在電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)與變速器間裝有離合器，純電動(dòng)行駛時(shí)電機(jī)可與發(fā)動(dòng)機(jī)斷開，變速器擋位也可被電機(jī)利用。與P1構(gòu)型相比，P2構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)，因配有變速器，電機(jī)需求扭矩不大，降低了成本和電機(jī)的體積。P2構(gòu)型應(yīng)用最多，但其對(duì)變速器要求高，如果變速器不能快速切換到空擋而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，就需要起動(dòng)電機(jī)滿足快速起停的要求，需在原發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪處增加中低壓起動(dòng)電機(jī)，或在發(fā)動(dòng)機(jī)前端增加BSG，后者稱為“P0/P2系統(tǒng)”，屬雙電機(jī)串并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)。

同軸P2構(gòu)型混合動(dòng)力模塊[6]如圖7所示；P2構(gòu)型也可使用減速齒輪（平行軸）結(jié)構(gòu)[3]，如圖8所示；P2構(gòu)型還可通過皮帶與變速器輸入軸連接，如圖9b所示。

圖7 P2構(gòu)型混合動(dòng)力模塊[5]

圖8 P2構(gòu)型混合動(dòng)力側(cè)集成[6]

圖9 48 V-驅(qū)動(dòng)及混合動(dòng)力[7]

目前業(yè)內(nèi)主流觀點(diǎn)認(rèn)為最好的電驅(qū)動(dòng)技術(shù)是功率分流（Power Split，PS）技術(shù)，如豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)（Toyota Hybrid System，THS），但受限于單行星排/雙電機(jī)系統(tǒng)（見圖10）、雙行星排/雙電機(jī)系統(tǒng)及三行星排/雙電機(jī)系統(tǒng)（見圖11）專利的保護(hù)。

圖10 單行星排/雙電機(jī)專利構(gòu)型

圖11 三行星排/雙電機(jī)專利構(gòu)型

2.2.4 P3構(gòu)型

P3構(gòu)型在純電動(dòng)行駛時(shí)要克服被拖動(dòng)的變速器的加速阻力，電機(jī)動(dòng)力換擋為無級(jí)無動(dòng)力中斷。相比P0、P1和P2構(gòu)型，P3構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)是純電驅(qū)動(dòng)和能量回收效率高、急加速表現(xiàn)好。P3構(gòu)型的空間布置較適合后驅(qū)車型。如需起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)起停，在發(fā)動(dòng)機(jī)前端增加BSG，即成為“P0/P3構(gòu)型”。電機(jī)位于差速器上時(shí)的P3構(gòu)型如圖9c所示。

2.2.5 P4構(gòu)型

P4構(gòu)型中電機(jī)與半軸集成，電機(jī)通過鏈條或齒輪驅(qū)動(dòng)后軸或前軸，圖12所示為齒輪驅(qū)動(dòng)的P4構(gòu)型電動(dòng)驅(qū)動(dòng)轎；直接使用2個(gè)輪轂電機(jī)的輪邊驅(qū)動(dòng)也屬P4構(gòu)型，如圖13所示，輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)彎的性能更好（但對(duì)電控的要求極高），省去了輪軸和差速器帶來的效率損失和額外質(zhì)量，但車輪質(zhì)量增加，影響平順性。

圖12 P4構(gòu)型電動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋（GKN）

圖13 P4輪轂電機(jī)（亞太機(jī)電/Elahe公司）

P4構(gòu)型的最大優(yōu)勢(shì)是電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)可分別用于驅(qū)動(dòng)不同驅(qū)動(dòng)橋，實(shí)現(xiàn)四驅(qū)。電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是通過地面耦合的，工作性質(zhì)與并聯(lián)很類似，但在車上沒有機(jī)械連接，在純電驅(qū)動(dòng)和純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)之間切換的本質(zhì)是前、后輪驅(qū)動(dòng)的切換，對(duì)車輛操控性和平順性有不利影響，因此P4構(gòu)型強(qiáng)混較少，主要為輕/中混，或是以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為輔的插電式混合動(dòng)力。

3 48 V技術(shù)應(yīng)用于不同構(gòu)型的潛能分析

3.1 48 V技術(shù)特征

采用同樣電線束的截面，48 V系統(tǒng)的功率是12 V系統(tǒng)功率的4倍，也表征了能量需求的增加（見圖14）。48 V可實(shí)現(xiàn)的功能[5]如圖15所示。48 V電動(dòng)零部件主要集中在最大功率大、工作時(shí)間占比多的區(qū)域，12 V電動(dòng)零部件主要集中在相反區(qū)域；其中20 kW級(jí)的P2/P3/P4驅(qū)動(dòng)電機(jī)、10 kW級(jí)的P0/P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)和1 kW級(jí)的水泵的工作時(shí)間占比都達(dá)90%左右。

圖14 48 V與12 V系統(tǒng)功率對(duì)比/線束截面積[6]

3.2 功能對(duì)比

研究表明，5種構(gòu)型組合的功能表現(xiàn)如表1所示[3]，48 V混合動(dòng)力的功能差異可用圖16[5]解釋。

圖15 48 V系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能[6]

表1 功能比較[3]

圖16 混合動(dòng)力功能對(duì)比[6]

3.3 性能對(duì)比

各種構(gòu)型車輛與基本配置的傳統(tǒng)機(jī)械四輪車型的特征比較[3]結(jié)果列于表2。

3.3.1 動(dòng)力性能

通常用車輪路面的驅(qū)動(dòng)力、功率或動(dòng)力因數(shù)與車速表達(dá)汽車的動(dòng)力性，電池和電機(jī)所形成的動(dòng)力特性與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性不同，某車型（整車整備質(zhì)量為1 500 kg）車輪驅(qū)動(dòng)力與車速的關(guān)系如圖17a所示，對(duì)比P2、P3或P4所形成的動(dòng)力-速度曲線，與純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有所不同，尤其是各擋的低速階段，驅(qū)動(dòng)力呈平直特征，這也是電動(dòng)汽車通常較傳統(tǒng)車輛動(dòng)力性能好的原因，圖17b所示為130 km/h工況下電機(jī)去耦的情況。

表2 特征比較[3]

圖17 車輪驅(qū)動(dòng)力與車速的關(guān)系[3]

3.3.2 節(jié)能對(duì)比

不同構(gòu)型所能達(dá)到的節(jié)能效果不同[8-9]，基于世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)（Worldwide Light-Duty Test Cycle，WLTC）工況的研究結(jié)果[6]如圖18所示。以CO2排放減少量為橫坐標(biāo)，以系統(tǒng)成本的增加為縱坐標(biāo)，獲得不同構(gòu)型車輛減排與系統(tǒng)成本對(duì)比[3]如圖19所示。

圖18 WLTC工況下的減排效果[6]

圖19 不同構(gòu)型減排與系統(tǒng)成本[3]

3.4 不同構(gòu)型48 V系統(tǒng)的成本

對(duì)于混合動(dòng)力汽車，在燃油系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了電池和電機(jī)等，不同構(gòu)型的成本增加不同[3]。不同混合動(dòng)力構(gòu)型的成本相對(duì)比較結(jié)果如圖20所示，總體上，同軸比平行軸成本略高。

圖20 不同構(gòu)型配置的48 V系統(tǒng)成本相對(duì)比較（2020年以后）[3]

4 混合動(dòng)力與48 V的高效組合

4.1 混合動(dòng)力附加質(zhì)量與純電續(xù)駛里程

混合動(dòng)力具有雙系統(tǒng)，如果把傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的整車質(zhì)量和附加的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量區(qū)分開來，對(duì)比插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量增加和純電續(xù)駛里程。以CULT研究樣車[7]為例（見圖21），與現(xiàn)有的4種混合動(dòng)力車型的比較結(jié)果如圖22a所示。相應(yīng)的增重續(xù)駛指數(shù)（附加質(zhì)量與純電續(xù)駛里程之比）如圖22b所示，相比而言，CULT研究樣車的增重續(xù)駛指數(shù)有優(yōu)勢(shì)。

圖21 CULT樣車[7]

P2構(gòu)型混合動(dòng)力與插電式混合動(dòng)力（帶冷卻EGR的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和12 kW/48 V的電機(jī)），在主動(dòng)運(yùn)行和弱化（Phlegmatisierung）階段，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分配[7]如圖23所示：在主動(dòng)運(yùn)行階段，僅有電機(jī)工作，克服行駛阻力；在鈍化階段，為滿足更大的功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作。在排放方面，插電式相比電量保持（Charge Sustaining，CS）模式排放的CO2和NOx分別減少17.5%和27%[7]，如果用更高的EGR、適當(dāng)增大動(dòng)力電池、用電熱催化器，有進(jìn)一步降低排放的潛力。

圖22 5種混動(dòng)的整備質(zhì)量、附加質(zhì)量和增重續(xù)駛指數(shù)[7]

圖23 電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)功率分配[7]

4.2 針對(duì)柴油車的48 V混動(dòng)理念

混合動(dòng)力也是柴油車進(jìn)一步節(jié)能的技術(shù)方向之一，F(xiàn)EV針對(duì)柴油車給出了48 V混動(dòng)設(shè)計(jì)理念及成果，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路[10]如圖24所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[10]如圖25所示，發(fā)動(dòng)機(jī)前端裝有BSG（48 V），配備電動(dòng)壓縮機(jī)（48 V）、12 V發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)和12 V車載網(wǎng)。

圖24 HECS-Ecobrid氣路[10]

柴油車含混合動(dòng)力功能的軟件架構(gòu)[10]如圖26所示。通訊、故障管理和復(fù)雜駕駛員等基礎(chǔ)軟件沒有變化。在應(yīng)用軟件上，需擴(kuò)展的功能有協(xié)調(diào)動(dòng)力總成控制模型（Coordinator Powertrain Operating Model，CoPOM）、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩結(jié)構(gòu)（Engine Torque Structure，ETS）、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式選擇（Engine Operating Mode Determination，EOD）和應(yīng)用級(jí)故障管理。新增軟件功能有能量管理、動(dòng)力增強(qiáng)控制、BSG控制、能量回收、電壓縮機(jī)控制、DC/DC控制。

圖25 FEV-HECS-Ecobrid驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[10]

圖26 包括混合動(dòng)力功能的軟件架構(gòu)[10]

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，不同增壓策略下的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管壓力、排放隨時(shí)間的變化情況[10]如圖27所示。WLTP工況下不同措施的節(jié)能效果[10]如圖28所示。

圖27 不同增壓策略下的排放[10]

5 汽車電氣化的發(fā)展與市場(chǎng)預(yù)測(cè)

5.1 汽車電動(dòng)功能的需求增長(zhǎng)

汽車電動(dòng)化后，汽車產(chǎn)品電氣功能和用電需求不斷增長(zhǎng)[4]，預(yù)測(cè)的結(jié)果如圖29所示。2025年汽車電動(dòng)或電氣功能的最大用電需求增長(zhǎng)至12 kW，是2015年的3倍。

圖28 48 V綜合措施的CO2減少量（WLTP）估算[10]

圖29 不斷增長(zhǎng)的產(chǎn)品功能和用電需求[4]

5.2 混合動(dòng)力汽車的市場(chǎng)份額預(yù)估

隨著保護(hù)環(huán)境和節(jié)能的要求越來越高，混合動(dòng)力汽車在業(yè)界受寵，比較樂觀的估計(jì)，以2015年為起點(diǎn)，基于LMC汽車咨詢公司的分析，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)的預(yù)估結(jié)果[10]如圖30所示。目前，我國(guó)的插電式混合動(dòng)力研發(fā)和生產(chǎn)投入還較少[11-12]。

圖30 各種汽車份額預(yù)估[10]

5.3 48 V技術(shù)的未來需求預(yù)測(cè)

比較樂觀的估計(jì)是，到2025年，全球?qū)Σ捎?8 V產(chǎn)品車輛的總體需求達(dá)到1 050萬輛，全球平均年復(fù)合增長(zhǎng)率為28%，如圖31所示。

圖31 2015～2025年48 V系統(tǒng)銷量[4]

6 結(jié)束語

在相關(guān)政策的導(dǎo)引下，中國(guó)的純電動(dòng)汽車研發(fā)和生產(chǎn)投入較多，插電式混合動(dòng)力投入較少，48 V技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用更少。面對(duì)電動(dòng)汽車的配套設(shè)施還不完善及燃油車仍是主流的現(xiàn)狀，以及未來電動(dòng)化零部件不斷增多的需求，國(guó)內(nèi)車企也應(yīng)緊密跟蹤48 V技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)，重視48 V系統(tǒng)部件的研發(fā)與應(yīng)用。