48 V系統技術發展概述

張昶 付磊

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發院，長春 130011）

主題詞：新能源車 混合動力系統 48V 系統構型 節油

1 前言

近年來，迫于能源供應與生態環境的壓力，各國逐步推出更加嚴苛的汽車排放與能耗法規，這也讓整車廠面臨著技術升級和轉型的壓力。在此背景下，新能源汽車日益崛起，成為整車廠降油耗和排放的主要手段。但是對絕大多數OEM而言，新能源車從深度混合動力到純電動、燃料電池汽車均因成本過高，而處于虧損狀態。48V輕度混合動力系統因其硬件成本較低，且能實現大多數混合動力功能而逐漸獲得諸多OEM青睞。

目前國外奔馳、奧迪等公司，國內長安、吉利等公司已經推出自己的48V混動車型；博世、博格華納、麥格納等供應商也已推出自己的48V混動乃至純電動解決方案。在未來較長的一段時間內，48V系統將在汽車動力系統領域占據重要地位。本文將從技術角度探討48V系統的技術應用潛力及發展前景。

2 48V輕度混合動力系統概述

近二十年來，新能源車型日益興起，輕混、深混、插電混動、純電動、燃料電池等新能源車型逐步走向市場。然而目前各大OEM面臨的困境是，新能源車雖然能極大降低能耗和排放，但是因其成本過高，技術復雜，目前絕大多數廠商推出的新能源車型都處于虧損狀態，國內的主要新能源車型目前還處于依靠國家財政補貼生存的階段。隨著國家財政補貼逐漸退坡，新能源車將逐步進入由產品力及性價比驅動發展的階段。

從成本角度看，48V系統因其在60 V的安全電壓等級以下，因此無需額外的高壓安全防護；另外，48V系統中電動化部件的功率及能量等級較低，其硬件成本相較于深混系統大大降低。這兩方面的原因使48V系統成為極具性價比的混動解決方案。從整車混動功能及性能角度看，48V系統能實現如發動機起停、制動能量回收、行車發電、電機助力、純電驅動（因構型而定）等絕大多數混合動力功能。

48V系統功能及性能因其動力系統構型不同而有所區別，但其基本混合動力功能與原理與如圖1所示。因構型不同，48V系統在整車應用中可實現10%～18%節油率，整車降油耗成本低于500元/（0.1L/100km）。

圖1 48V系統主要混合動力功能

3 48V系統構型分析

從構型角度看，48V系統與深度混合動力系統并無本質差異，根據電機在動力系統中的位置，整體上可以分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4、EV等方案，如圖2所示。本節從各構型的特點出發探討各方案的優缺點。

圖2 48V系統構型分類

3.1 P0構型

P0構型48V系統是目前應用最廣及成本最低的48V混動方案，它是在傳統發動機的輸入軸并聯一個BSG電機，該電機可以充當智能發電機、起動機，能夠實現發動機起停、制動能量回收和發動機工作點調節等混動功能。一般而言，受限于帶傳動的可靠性，BSG電機的功率等級一般在10～15 kW之間。

P0構型48V系統的主要優勢在于成本低廉，結構改動量小，容易實現模塊化。而且，由于電機與發動機為平行軸結構，對軸向尺寸影響較小，尤其對于橫置前驅車而言，搭載性非常好。同時，由于該系統結構及功能相對簡單，控制開發的難度也相對較小。

P0構型的主要劣勢在于，發動機與電機機械固連，二者不能脫開，因此沒有純電行駛功能。而且，由于電機在發動機輸入端，在制動或滑行能量回收的過程中，回饋能量需要經過發動機的反拖才能輸入到電機端，因而制動回收效率較低。另外，由于BSG電機的功率等級較低，它調節發動機工作點的能力十分有限，對節油的貢獻度也就較小。考慮到以上三個方面的原因，P0構型的48V系統節油率一般只有10～12%左右。

3.2 P1構型

P1構型與P0構型功能及性能十分類似，只是電機布置在發動機的輸出軸端，且一般通過齒輪連接。因此P1電機相對于P0電機的功率等級更高，一般可達到15～30 kW（根據系統功能需求及整車性能需求而定）。

P1構型的48V系統在啟動發動機、制動回收、發動機工作點調節等混動功能上一般比P0構型性能更佳。但是P1構型對于軸向尺寸的影響較大，這對于橫置前驅車型的布置是較為不利的因素，而且在性能上也不如P2這種電機可以與發動機脫開的方案，因此在產品車上較少采用此方案。

3.3 P2構型

P2構型的48V系統是在發動機和變速箱之間增加一個48V電機，且電機與發動機之間有一個分離離合器C0。P2構型相較于P0、P1構型，最重要的區別在于電機可以與發動機脫開。這一特點給系統帶來了兩方面顯著的優勢：（1）P2電機可以進行純電驅動，從而覆蓋發動機低功率驅動區域，即在車輛低速低功率驅動需求階段，發動機停機，C0離合器分開，電機承擔驅動任務，使系統整體驅動效率有較為明顯的改善；（2）由于發動機與電機可以脫開，在制動或滑行能量回收的過程中，發動機可以停機，去掉發動機的反拖損失，提高可回收能量，從而提升系統的能量利用效率。

與P0、P1構型不同的是，P2電機除了需要承擔停車起停的任務外，還需要承擔行車過程中啟動發動機的任務。如從純電驅動切換至發動機驅動、滑行停機后又有了較大的驅動需求等工況下，就需要P2電機進行啟動發動機。此種工況下，極易產生輸出扭矩的波動，影響舒適性，因此P2系統對電機扭矩和轉速的瞬態控制要求較高。另外，由于P2構型中，發動機和電機同軸，對于軸向尺寸增加非常明顯，適于應用在縱置后驅車型中。若應用在橫置車型中，對于動力系統布置及電驅系統集成的要求極高。

從系統功能和性能的角度看，由于P2電機增加了純電驅動功能，且制動回收功率需求更高，因此要求電機功率及電池能量也相對較高，一般P2電機的功率需求為18～25 kW之間，電池的能量需求為20 Ah左右。一般而言P2構型的48V系統節油率可達到15%左右。

3.4 P2.5構型

P2.5構型從系統功能和性能、總成需求上看與P2構型并無太大差異，二者最大的區別在于P2.5構型中電機與發動機為平行軸結構，電機集成在變速箱的某一軸上。這就使系統的軸向尺寸大為減小，同時也使橫置前驅車型應用此方案的布置難度降低了很多。

3.5 P3構型

P3構型是將電機集成在變速箱的輸出軸上，這帶來了兩個較為明顯的優勢：（1）電機到車輪端的傳動鏈更短了，可以提升純電驅動、制動能量回收效率；（2）在變速箱換擋過程中，電機可以進行輪端輸出扭矩補償，減小輪端扭矩波動，提升舒適性和車輛動態響應特性。

與P0、P1、P2構型不同的是，P3電機不能實現啟動發動機的功能，因此P3構型一般都采用雙電機，即P0+P3方案。雙電機系統帶來的另外一個優勢是，增加了串聯行駛功能，這對調節發動機工作點的能力進一步增強。以P2構型為例進行對比，在電量較低且驅動功率需求也較低的時候，需要發動機進入行車充電工作模式，此時，P2構型發動機可以實現轉矩解耦，即提升發動機轉矩至高效區；但是串聯功能可以使發動機轉速、轉矩與驅動需求全解耦，讓發動機工作在最低燃油消耗率（BSFC）區間內，這相對于P2構型的驅動效率有了進一步提升。二者發動機工作點區別示意如圖3所示。

圖3 P2與P3構型工作點區別

由于采用雙電機系統，P3構型的成本相對較高，而且驅動電機集成在變速箱輸出軸上，對系統集成、變速箱控制要求較高。

3.5 P4構型及EV

對于前驅車而言，P4構型一般是在車輛的后軸上增加一個48V電驅動橋，該方案與P3構型較為類似，一般也采用雙電機構型，即P0+P4方案。它擁有與P3構型相同的優勢：制動回收及電驅動傳動鏈短，效率高；雙電機系統可以實現串聯行駛功能等。另外，P4構型還具備一些額外的優勢，即拓展的四驅功能，這使得該方案尤其適用于城市SUV車型。由于P4電機可以獨立承擔驅動后輪的任務，因此整車可以實現前驅、后驅、四驅幾種不同的驅動模式，這使得整車可以實現優異的加速性能和動態特性。

P4構型由于需要集成在后驅動橋上，因此需要增加額外的減速器，這也使得P4方案的成本是幾個構型中最高的。另外，由于單級減速器的引入，給系統帶來了另外的問題：（1）電機的最高轉速會限制整車的最高車速；（2）電機與車輪固連，電機長久工作在較高的轉速，對整車的NVH影響較大，且電機的拖拽損失也較大，加大了汽車行駛的阻力。針對以上問題，有些供應商提供了減速器可斷開的方案，即在電機與減速器之間增加一個離合器，讓電機“按需工作”，即純電驅動、聯合驅動、制動回收等工況中，離合器接合，電機正常工作；發動機單獨驅動等工況中，離合器斷開，電機停機。這樣的解決方案能夠解決NVH、拖拽損失等問題，但是對離合器接合控制、電機的轉速控制提出了極高的要求。總體而言，P4電后橋方案的集成難度較大。

另外，部分供應商提出了48V電機+單機減速器的純電動方案，應用于一些低速電動車、低功率需求的專業工具車的方案。

3.6 各48V方案對比總結

綜合3.1～3.5章節的探討，將各構型方案的48V系統對比評價如表1所示。表中數據均為定性說明各方案的典型特征，節油率、電機和電池需求等參數并非代表各方案的嚴格指標，在實際應用中應根據具體車型進行相應匹配。

4 48V應用案例

近年來，整車廠對于48V系統的研究逐步深入，目前已經有部分搭載48V系統的整車投產上市，各整車廠及供應商也逐步發布自己未來的48V系統解決方案，有望在接下來的若干年內投產應用，本節將簡單介紹典型的48V系統解決方案。

4.1 已上市48V車型案例

目前市面上應用最廣的48V系統為P0構型，奧迪在48V領域領先其他廠商一步，在2018年已上市的A6、A7、A8/A8L、Q8等車型中均搭載了48V輕度混合動力系統，并且已經實現模塊化。以上各車型中的48V系統均采用大陸集團制造的交流非同步電機，峰值功率12 kW，峰值扭矩60 N·m，電池采用LGC的10 Ah三元鋰離子電池。圖4所示為奧迪A6-48V混合動力系統總成[1]。國外市場上，奔馳也在C200車型上搭載P0構型48V的產品。

表1 各構型48V方案對比評價

圖4 奧迪A6-48V混合動力總成[1]

國內市場上，長安在2016年就發布了第一款搭載P0構型48V系統的混動車型——長安逸動藍動版，該車型動力系統配置為1.6L自然吸氣發動機+5速手動變速箱，其48V電機功率為11.5 kW，扭矩為50 N·m，節油率達到10%以上。吉利在2018年發布了博瑞GE MHEV，該車同樣搭載P0構型48V系統，電機功率為12 kW，扭矩為50 N·m。

4.2 供應商48V產品解決方案

除了以上已在整車上應用的48V系統外，國內外主要供應商也相繼推出了各自的48V系統解決方案。

舍弗勒針對2025年的排放法規，研發了P2構型的48V系統，并在功能樣車上進行了性能驗證。其動力系統拓撲如圖5所示[2]。該48V系統采用了1.84 kWh電池方案，純電行駛距離可達5 km，純電車速可覆蓋至60 km/h；它還對發動機進行了針對性的優化，采用UniAir技術，實現發動機進氣門的開閉時機、氣門升程均連續可調。搭載此系統的樣車可以達到歐6d排放標準，并且在WLTC工況下實現15%節油率。

圖5 舍弗勒P2-48V系統[2]

格特拉克在2017年推出了其深混和48V微混共平臺的7HDT300混動專用雙離合變速箱，該系統為P2.5構型，如圖6所示[3]。為豐富其48V混動產品線，格特拉克還推出了6HDT200、6HMT215等P2.5構型48V系統。以上各產品的電機功率均為15 kW，扭矩從215～320 N·m不等。

圖6 格特拉克P2.5構型7HDT300[3]

麥格納推出了P3構型的48V驅動系統，如圖7所示[4]。該系統包含一個峰值功率為25 kW，最高轉速為35 000 r/min的48V電機以及一個分離離合器，高轉速電機可以幫助系統在更寬廣的車速范圍內進行制動能量回收，提升能量利用效率。該系統在WLTC工況下可以實現18%的節油率。

圖7 麥格納P3構型48V系統[4]

麥格納還推出了其P4構型48V電驅動橋，如圖8所示[4]。該系統匹配峰值功率25 kW，最高轉速35 000 r/min的油冷電機。極高的電機轉速使其無需斷開裝置也不會對限制車輛最高車速，同時還可以保證車輛在全車速范圍內的制動回收能力。該系統經過驗證，可以在WLTC工況下實現18%的節油率。P4構型48V電驅動橋因其對整車動力性、經濟性提升顯著，且易于實現模塊化，成為了諸多供應商的未來48V系統重點解決方案。除麥格納外，FEV、博格華納、法雷奧等公司均推出了各自的48V-P4混合動力解決方案，所采用的電機功率等級在20～30 kW之間。

圖8 麥格納P4構型48V電驅動橋—eRAD[4]

除混動方案外，FEV還推出了其應用于輕型商用車上的48V純電動系統解決方案，該系統與P4構型類似，可用于商場清潔車、小型貨物運輸車等領域。法雷奧還推出了應用于市區微型短途代步的48V純電動概念車，設計指標為最高車速100 km/h，續駛里程100 km。

4.3 48V系統平臺拓展

以上所介紹的48V系統技術主要是針對節能減排功能開發的，實際上，48V系統的應用范圍并不局限于此。以奧迪A8L為例，其48V車型中不僅包含用于節能的48V電機和電池，還充分利用48V系統平臺電功率等級更高的特點，拓展了48V主動懸架應用，如圖9所示[5]。該主動懸架可以實現自動伸縮，極大提升不平整路面上的駕駛舒適性；甚至該系統可以與雷達和攝像頭系統配合，監測車輛周圍危險源，在有碰撞風險時，自動調整懸架角度，將碰撞傷害降至最低。

博格華納還推出了其48V電動渦輪產品，如圖10所示[6]。該產品配合傳統的機械渦輪應用，可以極大改善渦輪遲滯，幫助發動機在更低轉速發揮出峰值扭矩，提升動力性。而且相較于傳統的12V電動渦輪，48V電動渦輪的響應更快，功率更高。

圖9 奧迪48V主動懸架[5]

另外，考慮到48V電池的可靠耐久問題及電池低溫性能較差等問題，麥克斯威爾、烯晶碳能等公司拓展出了48V電池與超級電容搭配使用，讓電容承擔低溫、高壓、過載等惡劣工況下的充放電任務，電池工作在相對平穩的條件下，從而提升整車48V系統工作的穩定性、可靠性。

5 結論及啟示

（1）48V系統在將來較長的一段時間內，成為各大整車廠應對日益嚴苛排放和能耗法規的極具性價比的解決方案。

（2）48V系統的應用從最簡單的P0-BSG方案，逐步拓展到P1、P2、P2.5、P3、P4、EV等方案，應用逐漸多元化，且能滿足各種級別乘用車的需求。

（3）48V系統的應用不應僅僅局限于降低排放和能耗方面，同時應充分利用48V系統電氣化平臺，拓展出更多應用，在安全性、舒適性、動力性等領域開發出讓用戶感知明顯的系統功能。