奔馳48V車載電氣系統(tǒng)剖析（一）

阿 偉

梅賽德斯-奔馳汽車在乘員舒適性領域首屈一指。過去幾年里，通過如快速座椅加熱器、扶手加熱、熱石按摩和電熱杯座功能進一步增強了舒適性，在業(yè)界的影響力是無與倫比的。 但是，舒適性功能越多，車輛對電能的需求也隨之增加，數(shù)十年來使用的12V車載電氣系統(tǒng)，現(xiàn)用于為轎車提供電能。對于帶電傳動功能的車輛，如混合電能車輛，電傳動基于高壓車載電氣系統(tǒng)。48V車載電氣系統(tǒng)則彌補了12V車載電氣系統(tǒng)和高壓車載電氣系統(tǒng)之間的不足。48V車載電氣系統(tǒng)的電壓直接定位為最大 60V直流（DC）的接觸保護法定限值。 48V車載電氣系統(tǒng)無須高壓車載電氣系統(tǒng)的高安全性和個人保護措施。48V車載電氣系統(tǒng)并未替代之前的12V車載電氣系統(tǒng)，而是在其基礎上進行了延伸。同時，其電壓是12V車載電氣系統(tǒng)的4 倍，從而在相同的電流強度下可獲得 4 倍的輸出功率。采用48V車載電網(wǎng)蓄電池（G1/3），車輛整體的可用電容量增加，因此車輛未行駛時，可以有更多的能量用于創(chuàng)新客戶功能，例如在線服務。通過某些系統(tǒng)例如發(fā)動機靜謐啟動等進一步提高了駕乘舒適性，且通過附加措施減少了二氧化碳（CO2）排放。

圖11 12V和48V車載電氣系統(tǒng)

1.采用48V車載電氣系統(tǒng)

數(shù)十年來，現(xiàn)代轎車的電能由12V車載電氣系統(tǒng)提供,在高達15V的電壓范圍下進行工作。較高的額定電壓導致在所需電源升高的情況下電流逐漸增大，缺點是供給線路的橫截面厚且鉛蓄電池重。正常情況下,12V車載電氣系統(tǒng)幾乎不向新型用戶功能提供電量儲備。在過去幾年中，由于混合動力車輛的開發(fā)和引入，形成了所謂的高電壓車載電氣系統(tǒng)。高壓提供用于驅(qū)動車輛的高電功率。由于采用了高于60V的直流電壓，高壓車載電氣系統(tǒng)需要特殊的安全和防護措施。48V車載電氣系統(tǒng)的電壓直接定位為最大60V直流（DC）的接觸保護的法定限值。因此高壓車載電氣系統(tǒng)可在不需要安全和保護措施的情況下使用該電壓。通過采用鋰離子蓄電池，48V車載電氣系統(tǒng)在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時允許最大16kW的功率，在高壓車載電氣系統(tǒng)不需要額外保護措施的情況下大大擴展了電氣設備的可應用性。48V車載電氣系統(tǒng)并未替代之前的12V車載電氣系統(tǒng)，而是在其基礎上進行了延伸。其電壓比12V車載電氣系統(tǒng)高四倍，并在相同電流的情況下產(chǎn)生四倍于12V車載電氣系統(tǒng)的可用電力。由于這個原因，12V車載電氣系統(tǒng)實際上保持不變。僅由48V/12V直流/直流轉(zhuǎn)換器供電，而非12V發(fā)電機。由于12V車載電氣系統(tǒng)對故障安全性能的要求很嚴格，因此,繼續(xù)采用12V蓄電池，盡管有時會比之前的電量小。直流/直流轉(zhuǎn)換器向12V車載電氣系統(tǒng)供電，因為采用了 48V 車載電氣系統(tǒng)，無須改裝12V用電設備。與未裝配48V車載電氣系統(tǒng)車輛中的12V用電設備沒有差別。直流/直流轉(zhuǎn)換器也可向另一方向傳送能量，即從12V到48V，例如可通過用于12V蓄電池的充電器或來自供電車輛的充電器對 48V蓄電池進行再充電。處于靜止階段時，48V車載電氣系統(tǒng)關閉。駕駛員一旦啟用車輛中的點火開關，48V車載電氣系統(tǒng)也隨之啟用。發(fā)動機通過集成式啟動機發(fā)電機（ISA）或皮帶驅(qū)動啟動機發(fā)電機（BSA）啟動。行程結束且發(fā)動機關閉后，某些功能仍需48V車載電氣系統(tǒng)繼續(xù)運行。這些后續(xù)事件完成后，關閉48V車載電氣系統(tǒng)。之前的12V車載電氣系統(tǒng)通過48V車載電氣系統(tǒng)進行擴展，如圖1所示。

圖2 48V車載電氣系統(tǒng)部件（車型222）

圖3 48V車載電氣系統(tǒng)部件（車型238）

2.裝配256發(fā)動機的車型222中的48V車載電氣系統(tǒng)簡介

48V車載電氣系統(tǒng)將首先應用在裝配新型六缸火花點火式發(fā)動機的車型 222 的改款車型中。從開發(fā)此款發(fā)動機開始就已將48V車載電氣系統(tǒng)考慮在內(nèi)。因此，可以省去皮帶驅(qū)動，因為之前通過皮帶進行機械驅(qū)動的所有用電設備可借助于 48V車載電氣系統(tǒng)進行驅(qū)動。12V發(fā)電機和12V啟動機替換為集成式啟動機發(fā)電機（ISA），其置于發(fā)動機和變速器之間。除了發(fā)電機功能，其也可使用來自 48V車載電網(wǎng)蓄電池的能量生成扭矩以輔助發(fā)動機。ISA 和48V車載電網(wǎng)蓄電池的高輸出功率可讓您幾乎感知不到發(fā)動機啟動,可使用以下功能：

◆電動輔助壓縮機

◆48V冷卻液泵

◆電動制冷劑壓縮機

◆加熱式擋風玻璃

在減少油耗的同時,發(fā)動機與48V車載電氣系統(tǒng)的相互作用使車輛產(chǎn)生更好的響應性，發(fā)動機可實現(xiàn)高性能冷卻，還會為乘客提供額外的舒適感，例如在發(fā)動機關閉時保持智能氣候控制。

車型222中48V車載電氣系統(tǒng)的部件概述，如圖2所示。

3.裝配264發(fā)動機的車型238中的48V車載電氣系統(tǒng)簡介

48V車載電氣系統(tǒng)還應用于車型238中。新型四缸火花點火式發(fā)動機264將采用皮帶驅(qū)動啟動機發(fā)電機（BSA），而非12V發(fā)電機和啟動機。除了發(fā)電機功能，其也可使用來自48V車載電網(wǎng)蓄電池的能量生成扭矩以輔助內(nèi)燃機。在低發(fā)動機轉(zhuǎn)速甚至減少發(fā)動機排量的情況下，傳動系統(tǒng)通過額外的電磁扭矩也可以產(chǎn)生較大扭矩。同樣，裝配發(fā)動機264的情況下，發(fā)動機與48V車載電氣系統(tǒng)的相互作用使車輛產(chǎn)生更好的響應性，使發(fā)動機啟動更快更平順并減少油耗。

48V車載電氣系統(tǒng)還可向發(fā)動機264提供極高的功率密度，因為可使用輸出功率約為 950W的48V的冷卻液泵進行冷卻。

車型238中48V車載電氣系統(tǒng)的部件概述，如圖3所示。

4.48V車載電氣系統(tǒng)的進一步發(fā)展

對于未來的梅賽德斯-奔馳車型，48V車載電氣系統(tǒng)將提供更高效的電能，從而成為減少梅賽德斯-奔馳車輛油耗的主要途徑。同時用戶也可使用新功能。

48V車載電氣系統(tǒng)中的電壓范圍，如圖4所示。

圖4 電壓范圍

5.集成式啟動機發(fā)電機（ISA）

與發(fā)動機256 配合使用的新型傳動系統(tǒng)的亮點是采用了集成式啟動機發(fā)電機（ISA）。其由帶電力電子裝置的電機，直流/直流轉(zhuǎn)換器和鋰離子48V車載電網(wǎng)蓄電池組成。電力電子裝置位于錐形齒輪啟動機（不再安裝使用）的安裝位置。

在P1布局中（如圖5所示），集成式啟動機發(fā)電機（ISA）用螺栓剛性連接到曲軸上，安裝在發(fā)動機和9速自動變速器（9G-TRONIC）之間，通過與48V車載電氣系統(tǒng)配合使用，集成式啟動機發(fā)電機（ISA）產(chǎn)生最大16kW的輸出功率和220N·m的扭矩。產(chǎn)生的能量供至單獨的48V車載電網(wǎng)蓄電池。發(fā)動機和集成式啟動機發(fā)電機（ISA）的配合使用提高系統(tǒng)性能的同時，降低了燃油消耗，此外，還新增了其他附加功能。集成式啟動機發(fā)電機（ISA）還減少了傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)震動，從而舒適性增強。

圖5 P1布局

圖6 P0布局

6.皮帶驅(qū)動啟動機發(fā)電機（BSA）

在新型四缸火花點火式發(fā)動機264 的某些供電類型中，啟動機和12V發(fā)電機被皮帶驅(qū)動啟動機發(fā)電機（BSA）代替。

在P0布局中（如圖6所示），皮帶驅(qū)動啟動機發(fā)電機（BSA）替代了皮帶驅(qū)動裝置中的發(fā)電機。除發(fā)電機功能外，皮帶驅(qū)動啟動機發(fā)電機（BSA）還會利用 48V 蓄電池的電能產(chǎn)生扭矩，從而為發(fā)動機提供支持。扭矩可能是正向也可能是反向，從而使發(fā)動機有效運轉(zhuǎn)，并將多余的能量存儲到蓄電池中。通過產(chǎn)生的正向額外扭矩，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低甚至排量很小時傳動系統(tǒng)也能產(chǎn)生較大的扭矩。通過發(fā)動機和48V車載電氣系統(tǒng)的配合使用實現(xiàn)了有效運轉(zhuǎn)，從而降低油耗和二氧化碳（CO2）的排放量，同時明顯改善了車輛的響應性。此外，發(fā)動機的啟動速度和舒適性也明顯提高。

圖7 長時停車

圖8 短時停車

7.發(fā)動機啟動ISA和BSA

發(fā)動機啟動由ISA或BSA執(zhí)行。不同類型的啟動（鑰匙啟動、啟動/停止系統(tǒng)、滑行模式啟動等）都不會產(chǎn)生震動，因此駕駛員幾乎不會感知到啟動情況。ISA 或 BSA 能使發(fā)動機快速進入怠速狀態(tài)，或者，如果踩下加速踏板，能使發(fā)動機快速達到相應的目標轉(zhuǎn)速。

ISA 還會使曲軸移至便于發(fā)動機機啟動的有利位置（可多次舒適啟動)。通過該定位，可在啟動期間執(zhí)行帶動態(tài)控制的扭矩補償，起初ISA便知道下次壓縮的具體時間并可通過動態(tài)控制功能相應調(diào)節(jié)所需的扭矩。從而補償壓縮階段由于發(fā)動機活動困難造成的轉(zhuǎn)速波動。

8.啟動/停止ISA和BSA。

啟動/停止系統(tǒng)的功能范圍已經(jīng)擴展，以便提高車輛的運行效率。系統(tǒng)的設計在用戶友好性方面得到大幅提升?，F(xiàn)在車輛會對需要長時停車和短時停車做出辨別。通過使用ISA或BSA只能避免由于改變主意造成的傳動系統(tǒng)震動。 處于發(fā)動機關閉滑行的超速運轉(zhuǎn)模式時，變矩器在啟動期間轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀倌Ｊ降那闆r下會產(chǎn)生這些震動。ISA或 BSA 以特殊方式促動，以避免啟動轉(zhuǎn)速曲線產(chǎn)生任何震動。

（1）長時停車（如圖7所示）

需要長時停車時，如果先前的平均車速較高且未執(zhí)行轉(zhuǎn)向操作，則在車速低于20km/h時發(fā)動機會關閉。相應地，雷達接口會對長時停車進行檢測，如果檢測到本車前方有其他車輛，則也會關閉發(fā)動機。

（2）短時停車（如圖8所示）

通過避免短時停車和挪車時發(fā)動機停止，增強了系統(tǒng)的舒適性。如果先前的平均車速較低且執(zhí)行了轉(zhuǎn)向操作，則僅在再次踩下制動踏板時停止發(fā)動機。此外，如果雷達接口檢測到前方車輛正在行駛，則在未踩下制動踏板時會阻止發(fā)動機停止。此時還會考慮標志（如停止信號）以及坡度和交叉路口情況,并通過實時交通信息將交通堵塞信息作為影響因素。

（待續(xù)）