多样化的电动化技术 (上):大陆的48V混合动力系统

预测48V系统将在欧洲和中国扩大应用

2016/02/25

概 要

  本报告将以2016年1月举行的2016年Automotive World上大陆公司(Continental AG)的演讲为中心,介绍其搭载启动发电机的48V混合动力系统。日产和本田的电动化战略还将在后续报告中另作介绍。

  各国、各地区都在加强燃耗和CO2排放量的限制。为了应对这一趋势,仅内燃发动机的改善余地有限,预计会推出多种电动化技术。预计今后尤其是Plug-in Hybrid和48V微混系统的应用将有所扩大。

  2016年,搭载大陆制造48V微混系统(大陆称为48V Eco Drive System)的2款车型在欧洲上市,接下来2017~18年还将在美国和中国上市。

  大陆还计划2020前左右投放对48V系统进一步升级的Side mounted Starter Generator、在2025年左右投放Inline Starter Generator。博世和法雷奥也发布了同样的系统。(详情见下文)



  关于48V混合动力系统,2011年德国5大整车厂(奥迪、大众、保时捷、戴姆勒、宝马)就制定48V电源通用标准达成一致,2013年还制定了“LV148”标准,向零部件配套厂寻求协助,完善48V的关键技术。与EV、全混合动力车相比,整车厂无需花费较多的开发时间,形成由零部件配套厂提交方案的体系。

  主要构成件包括带式驱动的启动发电机(Belt Starter Generator)、48V电源锂离子电池、以及将电压从48V转换至12V的 DC/DC转化器。超过60V之后,安全标准会更严格,因此采用低于60V的48V。



 

48Vハイブリッド試作車
大陆与舍弗勒共同开发的48V混合动力试制车,基于福特Focus。燃效比基础车型提高17%,符合尾气排放标准“欧6” (图片:舍弗勒)
48V Eco Drive systemのメリット
48V Eco Drive system的优点
(图片:大陆)

 

相关报告:
48V电源混合动力系统:欧洲各厂家计划2016年起投入量产(2015年2月)
最新电动相关技术:博世、舍弗勒、采埃孚、日本精工、恩梯恩、加特可(2015年12月)




在各国、各地区加强燃耗和CO2排放限制

  各国、各地区都在加强对燃耗和CO2排放量的限制。最严格的欧洲要求乘用车的CO2排放量从2015年的130g/km到2020/2021年削减至95g/km。

2020年起的乘用车CO2排放量限值

欧盟 美国 日本 中国
2020/2021年 2025年 2020年 2020年
95g/km 97.8g/km 105g/km 116.8g/km

资料:ICCT (The International Council of Clean Transportation) (注)欧盟要求2020年上市新车95%的车队平均值、2021年上市新车 (100%) 的车队平均值必须符合95g/km的限值。2015年的限值是130g/km。

  下表是大陆设想的将欧洲2013年CO2排放量127g/km到2020年降至95g/km的手段。绿色部分是采用电动化产生的效果,预计可削减11~14g/km。

欧盟:到2020年达成CO2排放量95g/km的手段

(gCO2/km) 现状 改善效果 目标值
2013年平均值 127
车身轻量化/降低空阻 3-5
改善内燃机构 10
提高动力传动系统的效率 (包括降低发动机摩擦力) 3
电动化与超级积点 (super credit) (注1) 4-7
环保革新 (注2) 7
Connected Powertrain (云连接导航仪等) 2-3
累计改善效果与2020年预期值 29-35 92~98
2020年限制 95
(注) 1. “积点”是指计算CO2排放量时的优惠措施。超级积点是指CO2排放量低于50g/km的车辆给予优惠,其销量可按除以1.33~2来计算等。
2. 环保革新虽不会反映在CO2排放量测试中,但会给予有降低CO2效果的新技术积点。这些技术包括Eco-mode button、Adaptive cruise control、Bi-Xenon or LED lights等。

 

 



48V微混车 2020年预计达到400万辆、2025年预计达到1,300万辆

電動化車両拡大の市場予測  大陆预测,到2020年,全球将有400万辆48V微混车。从2020年左右开始,由于量产促使成本降低,将迎来真正的扩大期,预计到2025年将有1,300万辆车配套48V系统。

电动化车辆的市场预测

(万辆)
2015年 2020年 2025年
EV 100以下 100 300
PHV + 全HV 200 600 1,100
48V HV 0 400 1,300
合计 300以下 1,100 2,700

资料:大陆

 

 



各地区、各细分市场的电动化:48V系统在欧洲和中国扩大销售

  下表是大陆对全球市场各电动化系统在不同细分市场的普及程度作出的预测。

  48V微混系统预计将在2020/2021年实施95g/km限制的欧洲最先普及。欧洲的B~E级车将广泛配套该系统,尤其是销量较多的compact和midsize(大致等同于下表的B/C/D级车)级车,预计对低成本电动化系统的需求将十分强劲。

  此外,据主要提供动力总成工程服务的AVL公司预测,48V系统将在欧洲和中国扩大应用,这2个地区近100%的微混车型将采用48V。中国以外的新兴国家市场普及的可能性也较高。而在日本,未来全混车和12V的微混车预计将增加,但48V系统的应用预计不会扩大。

  欧洲整车厂除了48V Hybrid,还致力于扩大D/E细分市场的PHV。D/E细分市场多是整备质量和CO2排放量大的车型。各整车厂希望能继续销售利润率较高的D/E级车,因此推出PHV将行之有效。每辆PHV的CO2排放量还按除以2、3来统计,享受超级积点。此外,D/E级车还能将PHV化的成本加在车辆价格上,因此各德国整车厂都积极计划投放PHV。

  此外,由于欧洲多利用高速行驶,因此除了PHV以外,全混车的普及或将十分有限。

各细分市场最适用的电动化系统

电机功率 细分市场 CO2削减效果
A B C D E
Electric Vehicle 50-90 kW 100%
Plug-in Hybrid 50-90 kW 50-75%
Full Hybrid 20-40 kW 20-30%
48V Mild Hybrid 5-15 kW ~10%
12V Start-Stop <5kW 3-4%
资料:大陆
(注) 1. 预测需求强劲的部分为深色。
2. 本表对全球市场整体进行了预测。

 

 



48V混合动力系统的优势

  48V混合动力系统通过扭矩辅助以及减速能源回收提高燃效,虽然与目前的混合动力系统原理相同,但与全混车相比,售价低1,000欧元左右,还具有众多优势。

  拥有48V电源和电机后,实现辅助零部件的48V化、发动机更有效状态下旋转,同时在实际行驶时充分利用发动机的功率,加热催化剂后还可削减冷启动时HC的排放量等。预计电动增压器的配套也将普及。

48V系统的优势

配套简单、 低成本   2016年配套的大陆48V Belt Starter Generator (BSG) 替代原有的12V Belt Starter Generator,使车辆无需大幅更改设计就可配套。
  目前的12V Start-Stop与高昂的全混车之间尚存在巨大的差距,48V将填补其差距。此外,法律规定,使用60V以上电源时需要相应的防触电对策,48V就不需要。
扩大制动能源的回收   48V系统相比12V系统,可更高效地回收制动能源,并存储于容量更大的锂离子电池内 (容量0.46kWh)。
舒适的启动   可更快、更安静地启动发动机。
电气设备的 48V化   大陆认为,功率较大的A/C压缩机和利用较高的冷却泵、机油泵将是48V系统的候选零部件。大型车的A/C压缩机及电动滚动横向稳定杆等在12V系统下都显得捉襟见肘。
  预计还会采用电动增压器。12V系统也可采用,但采用48V系统后,可对其全面充分利用。

(注)大陆BSG系统的特征是水冷式和采用感应电机。水冷式确保高可靠度,无需像空冷式那样选择配套位置。还采用无永磁感应电机,从而控制了成本。

 

48V系统对发动机的辅助
load point shift (汽油发动机)   发动机在2000~3000 rpm转速的高燃烧效率状态下燃烧,由48V电机辅助,可适应更高负荷的行驶 (最终可提高燃效、减少CO2排放)。
电力加热催化剂 (汽油发动机)   通过加热催化剂,使之提早发挥功能,可将冷启动时HC (碳氢化合物) 的排放量削减50%。还能在长时间的怠速停止以及怠速巡航时发挥作用。大陆集团将该功能注册为"EMICAT"。
控制尾气排放 (柴油发动机)   发动机的峰值负荷通过电机弥补,在现行NEDC测试中削减10%的NOx,在欧洲将从2017年起采用的WLTC测试中削减20%的NOx。

(注)WLTC是“Worldwide harmonized light duty driving test cycle”的缩写,联合国世界车辆法规协调论坛(WP29)内的工作小组自2009年起尝试统一全球的尾气和燃效测试方法。日本也考虑采用该方法。该方法将比现行测试方法更能反映近期的实际行驶情况。

 

 



2020年左右投产Side-Mount式,2025年左右投产Inline式

  2016年导入的48V系统将现有12V Starter Generator置换为48V用系统,大陆表示,无需大幅改动车辆的设计。

  大陆与舍弗勒共同开发在发动机和变速器之间配置启动发电机的Side mounted Starter Generator的试制车(基于福特 Focus 1000cc EcoBoost发动机与6MT配套车),2014年发布(带式驱动方式不变)。试制车的CO2排放量从114g/km降低至94.6g/km,降低17%,尾气排放也从欧5水平提高至欧6水平。2020年前后开始量产。

  还开发取消机带、在曲轴上配置启动发电机的Inline Starter Generator,2025年前后开始量产。

 

大陆计划的48V系统的3种架构以及各自降低燃耗的效果。 另,燃效提高13%是与不采用启停系统车辆的比较结果。 (图片:大陆) 大陆与舍弗勒共同在2015年9月IAA展上展出的Side mounted Belt Starter Generator。图左上为启动发电机,右下为曲轴和2片离合器。之间可看到连接两者的机带。(图片:大陆)

48V的3种架构

投产时间 类型 电机功率 概要
2016年 Belt Starter Generator (BSG) 14kW   将现有的带式驱动交流发电机置换为48V的启动发电机。车辆方面无需进行设计的大变动。下述2种上市后,将作为面向新兴国家市场的规格保留。
2020年 Side Mounted Starter Generator 19kW   新配置舍弗勒制造的电子离合器 (自动切断离合器),实现启动发电机与发动机的切断。由此可增加制动能源的回收量,与原有的BSG相比,燃耗可进一步削减5% (合计节约18%)。
  通过采用电子离合器,脚松开油门踏板时,就会自动切断与发动机的连接,进入怠速行驶 (Coasting) 状态,为提高高速行驶燃效作出贡献。据悉,使用大陆的试制车进行的测试行驶中,车辆约20%的行驶为怠速行驶。
2025年 Inline Starter Generator 25kW   发动机与变速器之间,在曲轴的同轴上配置电机。采用永磁电机。离合器切断发动机后,还能实现电力驱动泊车和低速移动。据悉,这是面向发达国家的规格。
  取消机带后,就不会产生机带造成的摩擦损耗,因此有望节省2%的油耗。

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