新能源技術在汽車工程中的應用

高偉健　劉金昌

摘 要：隨著汽車行業的迅速發展，汽車中應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，但傳統的車載12V已近達到了極限，無法繼續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的48V混動系統，這套系統能夠滿足現階段汽車用電量的增加，最關鍵的是這套48V混動系統能夠降低油耗，減少排放和達到節能的目標。

關鍵詞：48v混動系統 降低油耗 節能減排

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，中國汽車行業的迅速發展，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格。

此前，國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》中明確表述：到2015年，當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至6.9升/百公里，到2020年，當年生產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。為了實現第四階段的油耗標準，48V輕混動系統成為了各家汽車企業必爭的新技術。

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

2 48V混動系統

2.1 48V系統簡介

其實，48V混動系統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家車企聯合發布了相對應的48V系統規范LV148。但因為當時技術不成熟，造成節油效果不明顯等缺點，而沒有被廣泛推廣，隨著技術的發展和各個汽車廠商和零部件廠商的合作研發，48V混動系統得到完善并且成功應用在一些車型中。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。目前很多國內廠商已經涉獵這一領域，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混動系統動力，即MHEV。

48V混動系統的核心部件主要為48V的啟動發電一體機、用于儲存回收能量的1度左右的48V鋰電池組、用于48V與12V電壓之間轉化的電壓控制器（DCDC）。48V混動系統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的核心技術在于：相比傳統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、空調壓縮機、冷卻水泵等系統的工作時間，讓發動機在停車狀態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能量回收的要求，而回收的能量可用于輔助驅動等，降低發動機負載，從而實現了降油耗和排放的作用。

2.2 48V系統形式

目前出現的48V混動系統主要有兩種形式： ISG（Intergrated Starter Generator）和BSG（Belt-alternoter Starter Generator）。這兩種本質上沒有核心區別主要在于啟動發電一體機的具體安裝位置。ISG（Intergrated Starter Generator）位于發動機及變速箱之間，大部分安裝在飛輪上面，該電子機械設備兼具啟動器與交流發電機兩大功能。BSG（Belt-alternoter Starter Generator）位于發動機的前端與前端的皮帶進行相互連接，作用和ISG一樣。

2.3 48V系統的功能及組件

以下介紹以奔馳最新的ISG為主：

（1）推進功能：在短時間內，發電機對內燃發動機提供的最大扭矩及輸出功率將分別達到250 N·m和16 kW。

（2）電量恢復（Recuperation）：當減速時，將動能（kinetic energy）轉化為電能，并為電池充電。

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

（4）發動機啟停：當發動機轉速較快時，可實現車輛的啟動。例如：在經過滑行階段后，可立即啟動發動機并加速至適合當前行駛狀態的車速，該進程需借助啟動發動機（starter generator）來實現。在自動停止模式下，曲柄軸將進入最佳位置，以便再次平穩地重啟內燃發動機。

（5）啟停系統2.0：當車輛即將停下來時，盡管發動機已關斷，但車輛仍在移動，從而達到省油的目的。但該操作應視具體情況而定，需要視最新的駕駛情況、雷達傳感器傳輸的信息及其他車輛數據而定，避免車輛在2秒內驟停（short stop）。車輛的驟停不僅無法實現省油的目的，還會提升車輛的油耗。

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

（7）負載點（load point）的變化：可調節啟動發電機的電動扭力器（electric torque），使內燃發動機運行時的負載點達到能效最大值。

應用48V系統導致發動機前端帶動的組件也都發生了變化。

電動水泵：當水泵輸出值翻番時（從400瓦增至近950瓦），制冷效果將隨之提升，進而提升發動機的功率密度（engine power density），還可根據不同情況實現泵驅動（actuation of the pump），這與發動機轉速不相關。

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

發動機怠速控制（Idling rpm control）：為提升能效及舒適度，可借助點電機實現內燃發動機的怠速控制。為此，電機將充當發電機，調節充電電流，吸收內燃發動機的機械振動（mechanical vibrations）幅度，可通過精確調節將發動機怠速保持在520 rpm，實現節能效果。

空調系統內的電制冷壓縮機：氣候控制功能將不再依賴于發動機轉速。

為了實現以上組件的電氣化并將發電機整合到動力總成后，在設計時即可去除發動機前端的皮帶傳統帶傳動，不僅僅很縮短發動機尺寸還能降低噪聲，提升發動機的可靠性。但要想實現以上的規劃，所有的發動機重新開發設計，成本高，節油效果比BSG好，但對于BSG不用重新規劃設計發動機，只需要將其安裝在發動機前端即可，成本低。

3 48V混動系統優缺點

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

優點：

（1）降低碳氧化合物的排放，提升燃油效率，適應國家政策;

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

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

（4）可以將傳統發動機上的高負載附件電動化，比如空調壓縮機、冷卻水泵、真空泵等，降低發動機的負載，即使在發動機關閉的情況下，這些設備也能工作;可以支持更大功率的車載設備;

（5）將車載電器工作電壓提升到48V，可以進一步降低損耗，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，是風險隱患，需要處理。

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

（4）比12V start-stop系統成本高，節能效果不如高壓混動系統。

4 結語

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

特別是48V系統中的兩位權威人士：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理沈陽。李駿認為48V系統是現階段性能價格比最好的節油方案，而沈陽則更強調48V統的加速助力功能，對于小排量車輛極其重要。這兩位一位是業界水平最高的研究者，一位是業界業績最好的實干家，而意見又如此一致，不由得我不重視此方案。

參考文獻：

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