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电池研究院:为何汽车需要48V电压系统?

时间: 2024-07-08 02:58:00 |   作者: 机电类

  1、车上有不同的电压系统,12V电瓶最常见,48V正在引入,200V以上是可以驱动车轮的高压系统。

  2、48V混动也算混动,别拿村长不当干部,这玩意又省油又便宜,从全车生命周期算下来很值得。

  4、豪华品牌最爱48V,因为12V不够电用 德系、美系是先锋,中国品牌在追赶,日系比较佛系。

  早期的内燃机汽车产品并没有电气系统,启动用摇柄解决(就是现在的手扶拖拉机“钥匙”),喇叭用铃铛解决,大灯则由内燃机直接供电。

  1918年,AMC的前身,也即是哈德逊汽车公司(Hudson Motor Car Company),将6V电压带进量产车装配序列,并逐步催生了车载电灯和车载启动机的装配。

  经过了30多年的发展,6V电压系统被打败了,从笔者的历史观来看,征服它的是美国人。

  美国赢得二战,积累了巨额的社会财富,美国豪华车成为整个20世纪50年代最顶尖的民用工业产品,动辄6-8L排量的美式大V8发动机让6V电压系统腰腿酸痛。当然,世上没有6V电压系统干不了的活儿。如果有,那就串联两个6V。这就是我们当今还在用的12V铅酸电池之由来。

  2010年发布的保时捷911GT3 RS可以选装锂离子电池,官方称能减轻10kg重量。不过这项配置也并未持续下去,因为锂离子电池并不太适合担当铅酸电池的低电压低自放电角色。

  有些重型车辆会使用两套串联的24V电压系统给电气系统供电,或者串联成24V之后再并联成更大能量的组合。

  1988年,美国豪华品牌们顶不住车内用电器激增之后的电量匮乏问题,比如凯迪拉克就是在当时全球首次安装卫星导航系统的,美国汽车工程师学会(SAE,Society ofAutomotive Engineers)最终倡议将乘用车的标准电气电压提到42V,不过最终没能推动下去。

  豪华品牌们苦低压系统久已。你看常见的发动机自启停系统,即便用上AGM电瓶(Absorbent Glass Mat Battery)也已达7kW左右的功率极限,电路的鲁棒性跟印度电网差不多

  一直到2011年,德国豪华品牌们也扛不住弱鸡的12V电压系统了,开始组团提倡使用48V电压系统,并推出了一个新的行业标准LV148。

  48V电压系统有了4倍电压,电池包的能量逐步提升,可以经受更长时间的内燃机停机,还能通过BSG/ISG电机进行能量回收,协助车企们应付欧盟2020年的95g/km排放法规压力。

  到了200V甚至更高,这些高压电池可以单独驱动车轮,因此我们叫做“动力电池”。

  比较著名的千万辆级HEV非插电式混合动力技术丰田THS,用的就是大约200V的高压电池包,不自燃、单位体积内的包含的能量低、比较重、循环寿命超长的镍氢配方。

  大约250V的动力电池来自丰田引以为豪的Mirai氢燃料电池车,用来储存氢燃料电池系统产出但还没有来得及用完的电,以及能量回收系统刚刚收回来的残余电能。

  从300V往上都是可插电的动力电池产品,目前电压最高的乘用车电池产品是保时捷的800V系统,是当前主流400V(附近)系统的两倍电压。这组电压范围为610-835V的电压系统源自保时捷919Hybrid混动赛车,想知道919传奇故事的请点开下图,笔者写了好久的一篇长文,感慨坏了:

  800V电压系统能更高速地“获得电能”与“释放电能”,原理跟“文章临近Deadline时工作所承受的压力大增所以写得特别快”差不多。

  通过增加电压,电缆损耗降低,电缆负载能增加,这条定律也可拿来解释12V到48V的进化之路。

  这是笔者一直在思考的问题,但最近两年终于理清思路了我只要把所有混动系统(Hybrid Vehicle Drivetrain)看作内燃机(ICE,Internal Combustion Engine)的节能技术,就能把当前绝大多数的“油-电”混合技术融入同一个知识体系内。

  听笔者念完上面这几串,大多数人应该基本理解目前最主要的四种混动形式了。其中微混是每台自启停汽柴油车都有的,轻混是现在市场热推的48V车型,强混是双擎那种超省油但不插电的混动车(鸡肋到炸的动力居然叫“强”混),插混就是能补电、能享受国家补贴的。

  害,就是这么简单。因为48V系统是最高压的低压系统(混动节能效率最高),又不需要高压系统(HEV/PHEV/REEV/FCV/BEV)的繁琐电控/绝缘/热管理,这分明就是鸡头凤尾中的优质鸡头,

  《中华人民共和国节约能源法》《中国制造2025》《汽车产业中长期发展规划》一直在强力推动车企进行ICE系统的节能化改造,唯一可能的方向就是部分电气化(从微混到插混)。

  大家是不是习惯了一上车就关掉发动机自启停系统(Micro Hybrid)?因为这默认开启的讨厌玩意根本省不了几秒的油,振动还贼大,大夏天的没经同意就给你停了空调压缩机,完全就是车企为了应付油耗测试弄出来的。如果要评选“实际上最垃圾的汽车配置”,自启停系统认第二,没技术能认第一。

  我国乘用车新车的2025 年目标有多苛刻呢?下降至 4 .0L/100km,对应二氧化碳排放约为 95 g/km。

  单凭48V轻混动肯定打不到,但2025还远着呢,作为过渡的低耗减排技术,绝对是当前最明智之选。

  多少钱给装一个啊?这样的一个问题太刻薄了,无法回答。如果我们仅需要优化5%左右的驾驶循环油耗,那么48V电压系统下的BSG/ISG才是最高性价比的选择。当然,理论上可以优化12%左右,只是当前实测数据并不支持这个假设(我是否太客观太老实了)。

  一套48V系统,成本仅需大约600块钱就能完成大约1%的油耗优化,稳赚的生意谁不做?

  48V电压系统广泛推行的另一个重要原因是产业跟上了,BSG与ISG电机越来越便宜,电池技术也得到了一定突破。

  锂离子电池在PHEV和BEV的井喷式发展大潮中得到了技术革新,现在用在48V系统中的1.5kWh低压电池包在外尺寸、整备质量、充放电速度、成本控制、安全性上都有了很大的改进。

  低功率负载归12V系统,高功率负载归48V系统,12V扛不住的负载就别硬上,勉强没幸福。

  a、BSG/ISG电机:更大功率的启停一体式电机,还能进行动能回收,ISG还可以给到扭矩辅助(虽然很少)。

  b、电子增压器:增压器电气化之后,涡轮迟滞就没有了,什么转速下都能给让涡轮有正压,动力输出的突兀自然少了很多。

  c、空调压缩机与PTC加热电器:食量变态的耗电角色,功率分别都在4kW左右,挂到1.5kWh锂电池上之后,就不用烦恼每次自启停就停止制冷(12V电压系统根本扛不住)。

  d、空气悬架:空气悬架(弹簧)里头有空气压缩机,用上更大功率的48V系统之后能保证空气悬架反应更快。

  h、智能车机系统:下图自己感受,L2+的200TOPS算力要耗掉45W(笔记本充电功率),L5的2000TOPS就是800W,请问12V系统一共才多少kW?

  低功率负载还是可以交给12V电压系统的,比如照明系统(LED化之后很节能)、信号系统、蜂鸣器、仪表盘、电窗门锁以及发动机喷油点火系统等等。

  用户买车就是图个性价比,48V轻混动车子没升价/只升一点点钱,可以换来挺多的:

  b、能量回收过程中的心理愉悦。(因此车企喜欢把能量流显示在仪表盘/中控屏上)

  f、有些BSG电机可以在换挡期间调整ICE的转速以消除自研自产自销的垃圾双离合变速箱之顿挫,具体是哪个聪明品牌我就不点名了。

  除了以上6个小点的用户得益,开节能汽车如今也成为了一种政治正确,车企当然也想通过相关的宣传来展现用户群体“拥有精英人群的社会责任感”。

  进入本文最重要环节,但这节的内容很复杂,单劈一篇万字长文是没问题的,但读者们应该会直接关掉网页

  1、能量互通:两套电压系统是互通的,理论上都能够最终靠DC-DC互相升降压充放电供给对应电压的负载,因此总系统不易亏电,不用经常启动内燃机。

  2、滑行储能:48V系统加入之后,车辆更容易实现滑行储能模式,也就是视觉传感器、位置传感器、卫星信号判断你要进入“滑行至停止”这个工作,提前30秒左右停掉内燃机并让BSG/ISG反转发电。

  3、反转储能:BSG/ISG作发电机用,能量来源可能是刚刚提到的滑行,可能是内燃机经济转速下的剩余动能,也有可能来自专门的发电模式。比亚迪DM3系统就有发电模式,让汽油机固定在1500rpm 用BSG进行8kW发电,实际上不好用。

  4、能量大增:内燃机运转时可以电系统充电,12V铅酸电池与48V锂电池的总能量一般在2kWh左右,足够红灯前吹好一阵子空调冷风了,不用经常启动内燃机。

  5、扭矩辅助:ISG电机能够给大家提供50Nm左右的驱动扭矩(但不能单独驱动车轮),帮内燃机降负荷,某些特定的程度上降低了油耗。

  接下来笔者上一张多年前P的老图,这里基本说清了电机位置和作用,其中48V系统能供给P0(BSG)、P1(ISG)、P2、P0+P3四种电机布局使用。

  目前市面上见到的48V电压系统之电机,基本都是取代原发电机位置的BSG电机,因其成本最低、结构最简单,多数12V车型随便一改就能成为12V+48V的BSG轻混车型。

  德系是后来者,反而居上了。究其原因,便是因德系豪华品牌太多了,高功率负载多,老早就受不了12V电压系统了。

  奔驰从W221那一代奔驰S级(2006-2013)就开始做48V系统的尝试,宝马则在ActiveHybrid 7(2010-2012混动7系)上进行了试验。最终第一个跑出来的不是奔驰宝马,而是2017年发布的第四代奥迪A8(D5)。笔者印象非常深刻,是因为那篇首发技术解析稿是熬夜写的。

  不过A8的48V系统用了更简单、更便宜、没有办法进行扭矩辅助的BSG电机,虽然没对动力有帮助,但油耗有了0.7L/100km的下降。同样的系统很快就用到了奥迪A6(2018)、A7(2018)、Q7(2020)、Q8(2020)、A4(2020)、Q5(2021)之上。

  奔驰必然不会落伍,EQ Boost 48V立刻奉上。请注意,这是一台更高阶的ISG电机,不仅帮助省油,还能进行扭矩辅助(因为在发动机飞轮输出端)。这些ISG很快就装备到了C级(2018)、CLS级(2018)、S级(2018)、AMG GT53(2018)等车型上。

  至于宝马,其实上一年5系就在海外铺开了48V,但华晨宝马还没有跟进。第八代大众高尔夫也有48V,第四代EA888天生就跟48V匹配,预计以后德系是铺48V最积极的一个阵营。

  保时捷呢,当初不是48V的主发起人吗?是的,保时捷很需要48V电压系统来伺服主动防倾杆。空气悬架等高功率负载。

  此外,保时捷911也在做更加深入的电气化尝试,先是自启停微混,然后是48V轻混,以后还会有插混甚至纯电。

  通用集团是低压系统高压化(12V一次,42V又一次)的先行者,旗下几个品牌都玩过48V轻混,比如土星在2007年开始做轻混,不过终究是全面转向48V。

  跟德系品牌一样,最先量产48V轻混系统的电力需求最大的豪华品牌。新出的2021款凯迪拉克XT5和XT6全系都铺了48V轻混,ISG电机功率10kW,可以给50Nm的扭矩辅助。因为是ISG,所以不需要改原来的发动机和变速箱,在年款车型上都能直接装备。

  凯迪拉克给出的综合工况节油成绩是“节省5-6%”,足够老实,因为很多三四线%左右。

  实际上,这个比例的确比较可以了。我之前用的LTG引擎没可变缸技术,变速箱也是老款的8L45,超速挡位减速比不够大,所以高速油耗还不够极致。后来换LSY+9AT之后,一百公里可以省2.5-3.0个油,主要功劳是可变缸技术和更加省油的9号超速档。现在凯迪拉克推出“2.0T可变缸涡轮增压+9AT+48V”组合,还能再优化5-6%,ICE的停机时间能更长。

  美系另一大阵营是福特集团,不过可能因为上一年长安福特混得不够好,所以没有及时引入48V系统。中国花了钱的人“三缸”这个词太介意了,实际上福特的EcoBoost三缸机非常高效率,配上48V电机之后还能省更多油,海外版的福克斯和嘉年华早就用上了。

  大家有没发现我没提林肯哎,一个以NVH取胜的豪华品牌,怎么现在还没48V电压系统引入中国呢?

  就如前文提到的那样,美系品牌是高压化先驱,像凯迪拉克/林肯这种开始慢慢地铺智能车机、无人驾驶、主动悬架的品牌,现在正是时候全面搭载48V,一方面解决电力窘况,一方面提升平顺性和静谧性,一方面的确也能省点油。

  比亚迪在2013年推出了自家的48V弱混技术,他们叫“绿混系统”(希望基金读者不要介意),不过这款弱混系统并不怎么出名。真正卖断货的是第二代唐DM,很多订金用户(不是没交钱的意向用户哈)最近等不到车放弃,这种热销场面对于比亚迪而言是第一次。

  虽然唐DM用的是不可以进行扭矩辅助的BSG电机,但还有P3和P4两台大功率驱动电机,所以动力输出强势得可怕。

  吉利也是推动48V的产业巨头,他们主打的是接地气的BSG电机,不过官方说能省15%(!!!)。笔者看到有媒体软文吹“吉利能省15%,奔驰奥迪远不如”就觉得特别恶心。

  此外,一汽、长安、广汽、长城等品牌也都在跟进48V,而起步比较早却被反超的是江淮,我们2017广州车展就解读过他们家的48V轻混系统。

  为什么单独说说江淮呢,因为他们这套HyBoost轻混系统用的是磷酸铁锂配方的48V电池,能量只有区区0.38kWh 我一直很想试试装机之后会有哪种级别的节能效果。

  第二句:马自达和斯巴鲁这两家只用工程师脑袋想东西的厂家从2019开始逐渐尝试48V系统。

  第三句:铃木发力最早但其中国市场失败了,刚发布的日产逍客有48V但不知道是否引进。

  48V市场兴起,将产生巨大的利润市场。因为电池、电控、电机都可以外包,所以基本上买回来装机调试一下就能用了。

  大陆集团专注做BSG电机,另一个巨头博世也在不断研发新的BSG,宁德时代给它提供48V电池包。

  此外还有德尔福、法雷奥、日立、舍弗勒等等零部件巨头也参与了这块蛋糕的抢夺,不知道为啥电装没声没气。

  因为12V电压系统对应的自启停振动太可怕了,我上车第一件事肯定是关掉自启停,不能为了省几滴油损失整个旅程的平顺性。

  我们都会说一个网络词汇“力大砖飞”,实际上48V自启停的确可以用大力出奇迹,48V可以搭载10-15kW大功率BSG/ISG电机,平顺性上去了,消费者才肯用自启停系统。

  把它当成一个动能回收装置,省出来的能量给车载用电器用,差不多就这个意思。