新能源技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

高偉健　劉金昌

摘 要：隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車中應(yīng)用的電子元器件隨之增加，這樣就造成了汽車在電能上的需求不斷增加，這使得汽車的油耗不斷的增加，但傳統(tǒng)的車載12V已近達(dá)到了極限，無法繼續(xù)滿足汽車在電能需求上不斷增加，本文介紹了汽車新能源技術(shù)的48V混動系統(tǒng)，這套系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)階段汽車用電量的增加，最關(guān)鍵的是這套48V混動系統(tǒng)能夠降低油耗，減少排放和達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：48v混動系統(tǒng) 降低油耗 節(jié)能減排

Application of New Energy Technology in Automobile Engineering

Gao Weijian，Liu JinChang

Abstract：With the rapid development of the automobile industry， the electronic components used in the automobile are increasing， which causes the increasing demand for electric energy， making the fuel consumption of the car increase continuously. But the traditional vehicle 12V has reached the limit and cannot continue to meet the demand for electric energy. In the thesis， the 48V mixing system of the new automobile energy technology is introduced. This system can satisfy the increase of electric power consumption at the present stage. The most important thing is that the 48V mixing system can reduce the fuel consumption and the emission， and achieve the goal of energy saving.

Key words：48V mixing system， oil consumption reduction， energy saving and emission reduction

1 引言

近年來，中國汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，我國的汽車保有量不斷提升。2013年，我國車用燃油消耗占汽柴油總消耗的75.5%，而石油對外依存度更是高達(dá)60%。面對石油能源的日益緊張和對于碳排放的要求越來越嚴(yán)格。

此前，國務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》中明確表述：到2015年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至6.9升/百公里，到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0升/百公里。而工信部公布2016年中國乘用車平均油耗6.43升/百公里。為了實現(xiàn)第四階段的油耗標(biāo)準(zhǔn)，48V輕混動系統(tǒng)成為了各家汽車企業(yè)必爭的新技術(shù)。

目前作為理想的新能源電動汽車來說，還存在很多技術(shù)難題待解決，所以各家汽車公司在面對能源危機(jī)、政策鼓勵和處罰措施的綜合因素影響下，汽車行業(yè)的節(jié)能降耗勢在必行，也刻不容緩，各個汽車企業(yè)在應(yīng)用增壓進(jìn)氣、缸內(nèi)直噴等技術(shù)完成了第一、二階段的油耗標(biāo)準(zhǔn)，為了完成第四階段的油耗標(biāo)準(zhǔn)，48V混動系統(tǒng)為最優(yōu)的解決方案。

2 48V混動系統(tǒng)

2.1 48V系統(tǒng)簡介

其實，48V混動系統(tǒng)并不是一項最近才興起的黑科技，早在2011年，奔馳、寶馬、大眾、奧迪以及保時捷這5家車企聯(lián)合發(fā)布了相對應(yīng)的48V系統(tǒng)規(guī)范LV148。但因為當(dāng)時技術(shù)不成熟，造成節(jié)油效果不明顯等缺點，而沒有被廣泛推廣，隨著技術(shù)的發(fā)展和各個汽車廠商和零部件廠商的合作研發(fā)，48V混動系統(tǒng)得到完善并且成功應(yīng)用在一些車型中。其中最具代表性的為奔馳旗下的S-class車型和奧迪A8及A6等車型中。目前很多國內(nèi)廠商已經(jīng)涉獵這一領(lǐng)域，比如奇瑞、比亞迪、吉利和長安等。特別是吉利的博瑞GE動力就用到了48V混動系統(tǒng)動力，即MHEV。

48V混動系統(tǒng)的核心部件主要為48V的啟動發(fā)電一體機(jī)、用于儲存回收能量的1度左右的48V鋰電池組、用于48V與12V電壓之間轉(zhuǎn)化的電壓控制器（DCDC）。48V混動系統(tǒng)并不代表整車電路均為48V，而是采用加法原則12V+48V的做法。48V的核心技術(shù)在于：相比傳統(tǒng)12V，由于電池電壓輸出的升高，降低了線路損耗，同時電壓的升高也可以有效改善起停電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、冷卻水泵等系統(tǒng)的工作時間，讓發(fā)動機(jī)在停車狀態(tài)最大限度不參與工作;其次是48V的電壓更能滿足鋰電池快速實現(xiàn)能量回收的要求，而回收的能量可用于輔助驅(qū)動等，降低發(fā)動機(jī)負(fù)載，從而實現(xiàn)了降油耗和排放的作用。

2.2 48V系統(tǒng)形式

目前出現(xiàn)的48V混動系統(tǒng)主要有兩種形式： ISG（Intergrated Starter Generator）和BSG（Belt-alternoter Starter Generator）。這兩種本質(zhì)上沒有核心區(qū)別主要在于啟動發(fā)電一體機(jī)的具體安裝位置。ISG（Intergrated Starter Generator）位于發(fā)動機(jī)及變速箱之間，大部分安裝在飛輪上面，該電子機(jī)械設(shè)備兼具啟動器與交流發(fā)電機(jī)兩大功能。BSG（Belt-alternoter Starter Generator）位于發(fā)動機(jī)的前端與前端的皮帶進(jìn)行相互連接，作用和ISG一樣。

2.3 48V系統(tǒng)的功能及組件

以下介紹以奔馳最新的ISG為主：

（1）推進(jìn)功能：在短時間內(nèi)，發(fā)電機(jī)對內(nèi)燃發(fā)動機(jī)提供的最大扭矩及輸出功率將分別達(dá)到250 N·m和16 kW。

（2）電量恢復(fù)（Recuperation）：當(dāng)減速時，將動能（kinetic energy）轉(zhuǎn)化為電能，并為電池充電。

（3）滑行模式（Gliding mode）：當(dāng)行駛狀況及電池充電量等條件允許時，總成中的內(nèi)燃機(jī)將開始減速直至關(guān)斷，使車輛能夠自由地進(jìn)行慣性滑行（coast）。

（4）發(fā)動機(jī)啟停：當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較快時，可實現(xiàn)車輛的啟動。例如：在經(jīng)過滑行階段后，可立即啟動發(fā)動機(jī)并加速至適合當(dāng)前行駛狀態(tài)的車速，該進(jìn)程需借助啟動發(fā)動機(jī)（starter generator）來實現(xiàn)。在自動停止模式下，曲柄軸將進(jìn)入最佳位置，以便再次平穩(wěn)地重啟內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。

（5）啟停系統(tǒng)2.0：當(dāng)車輛即將停下來時，盡管發(fā)動機(jī)已關(guān)斷，但車輛仍在移動，從而達(dá)到省油的目的。但該操作應(yīng)視具體情況而定，需要視最新的駕駛情況、雷達(dá)傳感器傳輸?shù)男畔⒓捌渌囕v數(shù)據(jù)而定，避免車輛在2秒內(nèi)驟停（short stop）。車輛的驟停不僅無法實現(xiàn)省油的目的，還會提升車輛的油耗。

（6）車輛驟停通常發(fā)生以下幾種情境中：發(fā)動后遭遇交通燈變燈、停車、在擁堵的道路上行駛。當(dāng)駕駛松開剎車時，車輛會向前開，發(fā)動機(jī)的啟動將受抑制。該情況下，發(fā)動機(jī)不運行，適用于擁堵路段的車輛行駛，且不會產(chǎn)生油耗。不僅如此，駕駛員還能如常地對車輛行駛進(jìn)行全方位的掌控：只有當(dāng)駕駛員踩下油門后，發(fā)動機(jī)才會啟動。

（7）負(fù)載點（load point）的變化：可調(diào)節(jié)啟動發(fā)電機(jī)的電動扭力器（electric torque），使內(nèi)燃發(fā)動機(jī)運行時的負(fù)載點達(dá)到能效最大值。

應(yīng)用48V系統(tǒng)導(dǎo)致發(fā)動機(jī)前端帶動的組件也都發(fā)生了變化。

電動水泵：當(dāng)水泵輸出值翻番時（從400瓦增至近950瓦），制冷效果將隨之提升，進(jìn)而提升發(fā)動機(jī)的功率密度（engine power density），還可根據(jù)不同情況實現(xiàn)泵驅(qū)動（actuation of the pump），這與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不相關(guān)。

電輔助壓縮機(jī)（Electric auxiliary compressor）：當(dāng)需要額外動力時，該部件可確保對進(jìn)氣（intake air）的瞬時壓縮（instant compression），渦輪增壓器隨即作出響應(yīng)。采用該方式后，將徹底消除渦輪遲滯現(xiàn)象（Turbo-lag）。

發(fā)動機(jī)怠速控制（Idling rpm control）：為提升能效及舒適度，可借助點電機(jī)實現(xiàn)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的怠速控制。為此，電機(jī)將充當(dāng)發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)充電電流，吸收內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的機(jī)械振動（mechanical vibrations）幅度，可通過精確調(diào)節(jié)將發(fā)動機(jī)怠速保持在520 rpm，實現(xiàn)節(jié)能效果。

空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的電制冷壓縮機(jī)：氣候控制功能將不再依賴于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

為了實現(xiàn)以上組件的電氣化并將發(fā)電機(jī)整合到動力總成后，在設(shè)計時即可去除發(fā)動機(jī)前端的皮帶傳統(tǒng)帶傳動，不僅僅很縮短發(fā)動機(jī)尺寸還能降低噪聲，提升發(fā)動機(jī)的可靠性。但要想實現(xiàn)以上的規(guī)劃，所有的發(fā)動機(jī)重新開發(fā)設(shè)計，成本高，節(jié)油效果比BSG好，但對于BSG不用重新規(guī)劃設(shè)計發(fā)動機(jī)，只需要將其安裝在發(fā)動機(jī)前端即可，成本低。

3 48V混動系統(tǒng)優(yōu)缺點

純電動化是汽車的終極目標(biāo)，但由于續(xù)航問題，充電問題以及高昂的電池成本等問題還無法再短時間進(jìn)行普及。相對來言48V混動系統(tǒng)相對于重混合系統(tǒng)在價格存在巨大的優(yōu)勢。

優(yōu)點：

（1）降低碳氧化合物的排放，提升燃油效率，適應(yīng)國家政策;

（2）低于60V安全電壓，不需要采取額外的電壓防護(hù)，相對高壓混動系統(tǒng)，成本更低;

（3）48V Belt Starter Generator （BSG）容易替代原有的12V Belt Starter Generator，無需大幅更改設(shè)計即可配套。且與高壓系統(tǒng)相比，降低匹配難度，同時也降低了成本和重量;

（4）可以將傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)上的高負(fù)載附件電動化，比如空調(diào)壓縮機(jī)、冷卻水泵、真空泵等，降低發(fā)動機(jī)的負(fù)載，即使在發(fā)動機(jī)關(guān)閉的情況下，這些設(shè)備也能工作;可以支持更大功率的車載設(shè)備;

（5）將車載電器工作電壓提升到48V，可以進(jìn)一步降低損耗，同時可以降低線束外徑;BSG/ISG點火時間更短，更低噪音和更小震動。

缺點：

（1）電壓的升高，電磁兼容要求會更高。

（2）48V電壓下會存在電弧，是風(fēng)險隱患，需要處理。

（3）原來的12V車載設(shè)備遷移到48V需要重新開發(fā)以及測試，代價巨大并且周期長。

（4）比12V start-stop系統(tǒng)成本高，節(jié)能效果不如高壓混動系統(tǒng)。

4 結(jié)語

2020年即將來臨的第四階段的油耗法規(guī)很可能將引爆48V混動系統(tǒng)。有數(shù)據(jù)表明，目前中國的大城市交通比較擁堵，采用48V系統(tǒng)后汽車節(jié)油效果可達(dá)10%-15%，對于降低油耗以及滿足油耗法規(guī)會起到很大的作用。

特別是48V系統(tǒng)中的兩位權(quán)威人士：一位是一汽副總工程師、工程院院士李駿，另一位是上海通用五菱汽車總經(jīng)理沈陽。李駿認(rèn)為48V系統(tǒng)是現(xiàn)階段性能價格比最好的節(jié)油方案，而沈陽則更強(qiáng)調(diào)48V統(tǒng)的加速助力功能，對于小排量車輛極其重要。這兩位一位是業(yè)界水平最高的研究者，一位是業(yè)界業(yè)績最好的實干家，而意見又如此一致，不由得我不重視此方案。

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