48V电源混合动力系统:欧洲各厂家计划2016年起投入量产

Automotive World 2015演讲/以低成本实现低油耗的革新技术

2015/02/05

概 要

  作为一项高性价比且可大幅提高燃效的技术,欧洲各整车厂及配套商正在开发48V电源的混合动力系统,计划2016年起投入量产。Automotive World 2015中,博士和法雷奥2家公司在专项研讨会中就48V电源的混合动力系统为主题发表演讲。48V电源混合动力系统与高电压混合动力系统相比,以较低的成本,通过10~15kW的发电电机进行能量回收及增压。并通过对冷却风扇及EPS单元等消耗功率较大的电气组件进行高压改造,减少损失,提高7~20%的燃效。此外,该技术还考虑配合其他技术使用,进一步提高燃效。本篇报告将对演讲中涉及到的48V电源的特征及两公司正在开发的混合动力系统进行介绍。

Jochen Schaeferling氏
博世产品管理&市场 汽油系统
Jochen Schaeferling
Michel Forissier氏
法雷奥动力总成系统主管
Michel Forissier


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48V系统的开发背景及需求

应对电动化所造成的消耗功率增加

First reason for 48V
资料:法雷奥

  目前汽车电气系统的实际电流使用上限一般认为是300A,使用14V(12V)系统时的功率上限为4kW。最近的车辆,由于动力转向系统逐渐由液压式演变为电动式,空调压缩机也开始电动化,高级车中的各类电动配置逐渐增加,4kW的功率上限已不能满足车辆的电动化需求。为此,48V系统通过提高电气产品的电压,降低电流,来应对消耗功率增加的趋势。此外,降低电流还可减少损耗,提高燃效。法雷奥动力总成系统的主管Michel Forissier表示,今后为了推动可进一步提高燃效的电动化进程,需做好高电压化的应对措施。

欧洲燃效标准:2021年达成95g的CO2排放目标

Second reason for 48V
资料:法雷奥

  欧洲目前的燃效标准为各整车厂销售新车的CO2总平均值(欧洲油耗及排放评定标准NEDC下的CO2值)不得超过130g/km。该标准值到2021年将减至95g/km。目前大众 Golf欧洲车型中燃效最高的柴油1.6TDI版的CO2排放量为99g/km,混合动力车丰田Prius的欧洲车型为89g/km,勉强达到2021年的标准值。虽说还有数年,但95 g/km的标准值对于整车厂来说要求太高。特别是对于拥有SUV及高级车产品阵容的高级车厂家来说,仅依靠汽油发动机及柴油发动机的燃效提升,几乎不可能将平均值控制在95g/km以下。因此混合动力化及电动化的推进就显得极为迫切。

 

 



博世的48V混合动力系统

  关于博世的48V系统,以下将对产品管理&市场部Jochen Schaeferling做出的技术展示进行介绍。

简单的系统构成

48V-Boost Recuperation System
资料:博世

  48V系统如右图所示,右侧的电气零部件及蓄电池与原14V系统相同,并在此基础上增加左侧的发电电机。通过DC/DC转换器连接这2个系统,在48V和14V之间进行升压及降压的双向转换。

 

能量回收能力为14V系统的4倍

  如右图所示,与传统的14V铅电池系统相比,48V系统可实现约4倍的能量回收能力。据博世Jochen Schaeferling介绍,14V系统变为48V系统后,欧洲认证试验NEDC工况(New European Driving Cycle)下的能量回收量可由50Wh左右增至200Wh。WLTC工况(Worldwide harmonized Light vehicle Test procedures)下可由100Wh增至400Wh。

提高能源回收・增压用电机的输出功率

Evolution of Electrification
资料:博世

  目前14V微混合动力系统用于再生能源充电的发电机输出功率可达3kW左右。采用48V系统后,发电电机的输出功率可增至约15kW。电机的输出功率达到15kW就意味着可进行一定程度的EV行驶。据博世Jochen Schaeferling介绍,使用该系统可进行最高10km/h的EV爬坡行驶、最高30km/h的包括加速在内的EV行驶、最高60km/h的EV匀速行驶。

博世48V系统的构成零部件

  以下将介绍博世在Automotive World 2015(国际汽车电子产品展)中展出的48V混合动力系统(开发中)的构成零部件。

 

48Vインバーター付きBRSモーター 48V带逆变器的BRS电机(BRM) 48Vリチウムイオンバッテリー 48V锂离子电池
パワーコンバージョンユニット 电源转换单元(PDU) DC/DC转换器(48V-14V) ECUエンジンコントロールユニット ECU发动机控制单元

 

48V系统的4种类型

  博世的48V系统根据发电电机的安装方式,可分为4种类型。

48V-Powertrain Topologies
资料:博世

① 发动机悬置型(ICE mounted : e.g.belt)   48V系统使用10kw的发电电机取代原来安装在发动机上的14V发电机,采用带式驱动。无需改变变速器及发动机的基本构造,在基本款的基础仅需作出少量变更即可完成,因此成本较低。与传统的14V微混合动力系统相比,发电电机的输出功率提高10kW左右,由此可大幅提高能源回收及增压的可使用范围。但由于发电电机与发动机的曲轴通过皮带一直保持连接状态,因此当发动机停止时就无法进行EV行驶。据悉,该简易系统可减少CO2排放9-12%。

② 曲轴悬置型(Crankshaft mounted : ISG )   将发电电机安装在曲轴上,可使单圈输出功率进一步提高至15Kw。如果在发动机和电机间装一个离合器,可根据情况停止发动机,以节省支撑发动机旋转的能量。但根据此次的示意图,该系统并未安装此功能的离合器。该系统可减少CO2排放9-13%。

③变速器悬置型(Transmission mounted : eMT/eAMT/eCVT)   该系统利用变速器驱动10-15kW的发电电机,驱动方式有皮带和齿轮两种方案。发动机和变速器之间装有离合器,可根据需要停止发动机,以减少能量损失。此外,在发动机停止工作的状态下可仅靠电机进行EV行驶。该系统可减少CO2排放12-19%。

④变速器悬置型(Transmission mounted : eDCT)   该系统的基本构成与上述系统③相同,但组配的变速器不是eMT/eAMT/eCVT,而是DCT。48V15kW的发电电机与变速器内的驱动轴连接。虽无详细说明,但很可能与本田飞度的混合动力系统i-DCD相同,安装在DCT的奇数档位。相对于飞度i-DCD利用173V的高压驱动22kW的电机,48V系统在较低电压下也能驱动15kW的电机,这也成为该系统的一大特点。该系统可减少CO2排放12-19%。

 

 



法雷奥的48V混合动力系统

  关于法雷奥的48V系统,动力总成系统的主管Michel Forissier就以下内容进行了技术展示。

STEP1:带启动机发电机型

STEP1
资料:法雷奥 资料:法雷奥

  该系统使用机带驱动方式的48V发电电机,取代原悬置于发动机上的14V(12V)交流发电机,为搭载48V蓄电池和DC/DC转换器的最简易的系统。保留原14V(12V)系统的电气零部件,48V系统仅控制能量回收及增压,与原14V(12V)系统共同存在。

  使用该系统的B级车在NEDC工况和WLTC工况下预计可分别提高燃效15%、12%。

 

STEP2:变速箱电机发电机型(48V beltless engine)

STEP2 STEP2
资料:法雷奥 资料:法雷奥

  该系统去除原连接于发动机的起动机、发电机、水泵、空调压缩机等零部件,使用电机驱动水泵、空调压缩机,使用变速器驱动发电电机。利用电机驱动时,通过断开与发动机之间的离合,可停止运行发动机,完全进行EV行驶。空调压缩机利用48V电机驱动,并进一步将原14V(12V)系统中消耗功率较大的电气产品变为48V,通过高电压化,即使在消耗功率相同的情况下也可减少电流,降低损失,提高效率。

 

可提高燃效(减少CO2排放)15%

STEP2
资料:法雷奥

  据Michel Forissier介绍,在BMW750的开发试验中,如右图所示,常规系统的CO2产生量为219g/km,而机带驱动起动机发电机系统可减少6.8%,变速箱驱动发电电机采用电动空调压缩机时可减少15.5%。

 

STEP3:48V带增压器的混合动力系统

STEP3
资料:法雷奥

  该系统在STEP2的基础上,使用电动增压器进行增压。通过车辆测试得知,该系统可提高燃效20%,减少柴油NOx排放7%。

  此外,作为该系统未来的发展形态,法雷奥还在开发KERS系统,这是一项将机械飞轮与48V微混合动力系统进行组合的技术。

 

系统成本控制在与柴油系统相同的水平

STEP3
资料:法雷奥

  目前全混合动力系统的成本约为1800欧元,因此很难在欧洲普及。法雷奥的Michel Forissier在演讲中表示,柴油发动机的成本比汽油发动机高出约800欧元,因此能否将成本控制在该空间内,实现与柴油系统同等的价格水平,成为其市场普及的条件。虽然蓄电池的技术成本下降,但由于系统成本中蓄电池所占的比重非常之高,因此能够多大程度减少蓄电池的容量成为能否控制在该空间(800欧元)内的关键。

 

48V系统的前景

STEP3
资料:法雷奥

  法雷奥的Michel Forissier以48V系统的前景展望为内容结束演讲。Michel Forissier认为鉴于高消耗功率电气产品的增加将加快48V系统的发展;依靠发动机进行机带驱动的压缩机及泵的电动化趋势;以及48V系统在CO2减排方面的性价比高于高电压混合动力系统等因素,48V系统将迎来需求高峰,其技术也将得到进一步的发展。

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