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基于多种混合动力系统构型的48 V技术应用现状与展望
2019-09-10 14:10:46· 来源：汽车技术研究所
1 48 V系统概述P0构型如图5所示，电机辅以较大蓄电池，发动机停机时，电机仍可带动空调的机械压缩机运转。皮带柔性连接效率有限，故电机为发动机提供助力和回收
1 48 V系统概述
P0构型如图5所示，电机辅以较大蓄电池，发动机停机时，电机仍可带动空调的机械压缩机运转。皮带柔性连接效率有限，故电机为发动机提供助力和回收动能的能力有限，BSG适用于自动起停，单独使用时以12～25 V微混和48 V轻混为主，实际常与其它构型配合使用。
图1所示为奥迪Q8的混合动力系统[1]，装有48 V皮带传动起动/发电一体化电机（Belt-driven Starter/Gen⁃erator，BSG）和电动压缩机。另外，主动悬架[2]（见图2）、主动（电动）横向稳定器（见图3a）也都是基于48 V系统开发的。博格华纳最新推出的功率为5 kW的eBooster®电子增压器（见图3b）也采用48 V技术，涡轮增压器实现从eBooster®到eTurbo®同样靠48 V系统实现。
装有48 V电源系统的车辆可使用电机起步，滑行时可用电机回收能量，全油门时电机可协助输出动力，电动空调在发动机停机后仍可工作。对混合动力系统来说，48 V电气系统不仅优化了自动起停功能，还具备了发动机停机滑行、制动能量回收、加速助力和纯电运行功能。相比于12 V系统，48 V系统电压更高、可带动更多电气设备、可提高动力电机功率、为汽车电路系统的用电器提供更大的能量。48 V的混合动力系统对整车布局不是颠覆性的，相比于90 V或更高电压的系统，成熟度较高，成本可控。48 V系统的最高充电压是56 V，在高压保护方面比较简单。48 V系统的缺点是电动机比强混系统的电动机功率小、电压低，不足以支撑汽车在纯电状态下加速，仍需搭配发动机使用。
图1 奥迪Q8的48 V系统[1]
图2 奥迪A8的48 V主动悬架[2]
图3 48 V横向稳定器和48 V增压器
系统的电压间接决定混合动力的深度和上限，电压可有效提高电机功率，高转速时也可获得更大的扭矩。目前也有采用90 V系统的轻混车辆，与48 V系统相比功率更高，在辅助驱动、制动能量回收、起步驱动等工况下表现更好、可塑性更强，不过也需配备更大直径的高压保护线，碰撞安全要求也更高。
2 混合动力系统构型分析
2.1 混合动力产品分类与构型
混合动力汽车可分为串联式混合动力汽车（Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV）、并联式混合动力汽车（Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV）和混联式混合动力汽车（PSHEV），或分为普通混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）、插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）和增程式电动汽车（Ranger Extended Electric Vehicle，RE-EV），按混合程度又分为微（弱）混汽车（Micro Hybrid Electric Vehicle）、轻（中）混汽车（Mild Hybrid Electric Vehicle）和强（重）混汽车（Full Hybrid Electric Vehicle）。
对于单电机混合动力系统，根据电机相对于传统动力系统的位置，混合动力方案可分为5种构型，即P0、P1、P2、P3和P4，如图4所示。P0构型的电机安装在发动机前端，以皮带与发动机相连，又称为BSG，受传力的皮带所限，多属具有起停功能的弱混。P1构型的电机在发动机后端与发动机刚性相连，也称为起动/发电一体机（Integrated Starter and Generator，ISG）；因无法与发动机脱开，输出的动力受发动机拖累，多以轻或中混为主。P2构型的电机安装在变速器与发动机中间的离合器之后，这种构型技术简单易行，成本较低，但效率不是很高；P3构型的电机安装在变速器输出轴；P4构型的电机安装在后桥上，这种技术多与其他构型联合使用。
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图4 混合动力的5种技术构型
2.2 不同构型的功能特征
2.2.1 P0构型
3.3.2 节能对比
图5 奥迪A8的BSG[2]
2.2.2 P1构型
P1构型将ISG固连在发动机飞轮处，取代传统飞轮，发动机曲轴与ISG电机转子同转，支持发动机起停、制动能量回收。图6所示为P1构型示例。除自动起停、微混和轻混外，ISG也用在100～200 V的中混系统中。
P1构型的电机与发动机刚性连接，可实现动力辅助，需要时，ECU控制ISG补充动力，保持动力输出与经济性的平衡。在制动过程中，ISG可实现制动能量回收，还可依据车速施加辅助制动力矩。因电机与曲轴必须同步转动，电机需要较大的扭矩和体积，同时轴向尺寸需要较小从而可置于原有飞轮的位置，成本较高。
图6 奔驰S400 Blue Hybrid[5]
P1没有纯电模式，多为中混，不适合强混汽车。与BSG相比，ISG更节油，同时，较高的驱动力矩使得动力性能更佳，但成本也更高。P0和P1构型的缺点是，电机与曲轴必须同步转动，在制动能量回收和滑行模式下，也因带动曲轴空转而浪费动能并增加噪声和振动。
2.2.3 P2构型
P2构型在电机与发动机、电机与变速器间装有离合器，纯电动行驶时电机可与发动机断开，变速器挡位也可被电机利用。与P1构型相比，P2构型可实现纯电驱动，因配有变速器，电机需求扭矩不大，降低了成本和电机的体积。P2构型应用最多，但其对变速器要求高，如果变速器不能快速切换到空挡而起动发动机，就需要起动电机满足快速起停的要求，需在原发动机飞轮处增加中低压起动电机，或在发动机前端增加BSG，后者称为“P0/P2系统”，属双电机串并联混动系统。
同轴P2构型混合动力模块[6]如图7所示；P2构型也可使用减速齿轮（平行轴）结构[3]，如图8所示；P2构型还可通过皮带与变速器输入轴连接，如图9b所示。
图7 P2构型混合动力模块[5]
图8 P2构型混合动力侧集成[6]
图9 48 V-驱动及混合动力[7]
目前业内主流观点认为最好的电驱动技术是功率分流（Power Split，PS）技术，如丰田混合动力系统（Toyota Hybrid System，THS），但受限于单行星排/双电机系统（见图10）、双行星排/双电机系统及三行星排/双电机系统（见图11）专利的保护。
图10 单行星排/双电机专利构型
图11 三行星排/双电机专利构型
2.2.4 P3构型
P3构型在纯电动行驶时要克服被拖动的变速器的加速阻力，电机动力换挡为无级无动力中断。相比P0、P1和P2构型，P3构型的优势是纯电驱动和能量回收效率高、急加速表现好。P3构型的空间布置较适合后驱车型。如需起动发动机或实现自动起停，在发动机前端增加BSG，即成为“P0/P3构型”。电机位于差速器上时的P3构型如图9c所示。
2.2.5 P4构型
P4构型中电机与半轴集成，电机通过链条或齿轮驱动后轴或前轴，图12所示为齿轮驱动的P4构型电动驱动轿；直接使用2个轮毂电机的轮边驱动也属P4构型，如图13所示，轮毂电机转弯的性能更好（但对电控的要求极高），省去了轮轴和差速器带来的效率损失和额外质量，但车轮质量增加，影响平顺性。
图12 P4构型电动驱动桥（GKN）
图13 P4轮毂电机（亚太机电/Elahe公司）
P4构型的最大优势是电机和发动机可分别用于驱动不同驱动桥，实现四驱。电机与发动机实际上是通过地面耦合的，工作性质与并联很类似，但在车上没有机械连接，在纯电驱动和纯发动机驱动之间切换的本质是前、后轮驱动的切换，对车辆操控性和平顺性有不利影响，因此P4构型强混较少，主要为轻/中混，或是以电机驱动为主、发动机驱动为辅的插电式混合动力。
3 48 V技术应用于不同构型的潜能分析
3.1 48 V技术特征
采用同样电线束的截面，48 V系统的功率是12 V系统功率的4倍，也表征了能量需求的增加（见图14）。48 V可实现的功能[5]如图15所示。48 V电动零部件主要集中在最大功率大、工作时间占比多的区域，12 V电动零部件主要集中在相反区域；其中20 kW级的P2/P3/P4驱动电机、10 kW级的P0/P2驱动电机和1 kW级的水泵的工作时间占比都达90%左右。
图14 48 V与12 V系统功率对比/线束截面积[6]
3.2 功能对比
研究表明，5种构型组合的功能表现如表1所示[3]，48 V混合动力的功能差异可用图16[5]解释。
图15 48 V系统可实现的功能[6]
表1 功能比较[3]
注：*表示MT用E-Clutch；**表示P2用SSM。
图16 混合动力功能对比[6]
3.3 性能对比
各种构型车辆与基本配置的传统机械四轮车型的特征比较[3]结果列于表2。
3.3.1 动力性能
通常用车轮路面的驱动力、功率或动力因数与车速表达汽车的动力性，电池和电机所形成的动力特性与汽车发动机的外特性不同，某车型（整车整备质量为1 500 kg）车轮驱动力与车速的关系如图17a所示，对比P2、P3或P4所形成的动力-速度曲线，与纯发动机驱动有所不同，尤其是各挡的低速阶段，驱动力呈平直特征，这也是电动汽车通常较传统车辆动力性能好的原因，图17b所示为130 km/h工况下电机去耦的情况。
表2 特征比较[3]
注：0表示基础；+表示优于基础；-表示差于基础；*表示机械四驱。
图17 车轮驱动力与车速的关系[3]
迫于环境压力，为了满足节能减排的要求，汽车节能技术形成了多条技术路线，如柴油化路线、混合动力化路线、纯电动化路线等。汽车上电气部件和电动部件越来越多，12 V电压的蓄电池电量已显不足，无法长时间为车用电气设备提供足够的电能，因而48 V电池系统的开发受到重视，国外知名厂商已开发出多款基于48 V系统的产品，并已取得很好的应用效果。
不同构型所能达到的节能效果不同[8-9]，基于世界轻型汽车测试循环（Worldwide Light-Duty Test Cycle，WLTC）工况的研究结果[6]如图18所示。以CO2排放减少量为横坐标，以系统成本的增加为纵坐标，获得不同构型车辆减排与系统成本对比[3]如图19所示。
图18 WLTC工况下的减排效果[6]
图19 不同构型减排与系统成本[3]
3.4 不同构型48 V系统的成本
对于混合动力汽车，在燃油系统基础上增加了电池和电机等，不同构型的成本增加不同[3]。不同混合动力构型的成本相对比较结果如图20所示，总体上，同轴比平行轴成本略高。
图20 不同构型配置的48 V系统成本相对比较（2020年以后）[3]
4 混合动力与48 V的高效组合
4.1 混合动力附加质量与纯电续驶里程
混合动力具有双系统，如果把传统发动机的整车质量和附加的电驱动系统质量区分开来，对比插电式混合动力系统的质量增加和纯电续驶里程。以CULT研究样车[7]为例（见图21），与现有的4种混合动力车型的比较结果如图22a所示。相应的增重续驶指数（附加质量与纯电续驶里程之比）如图22b所示，相比而言，CULT研究样车的增重续驶指数有优势。
图21 CULT样车[7]
P2构型混合动力与插电式混合动力（带冷却EGR的柴油发动机和12 kW/48 V的电机），在主动运行和弱化（Phlegmatisierung）阶段，电机和发动机的功率分配[7]如图23所示：在主动运行阶段，仅有电机工作，克服行驶阻力；在钝化阶段，为满足更大的功率需求，发动机开始工作。在排放方面，插电式相比电量保持（Charge Sustaining，CS）模式排放的CO2和NOx分别减少17.5%和27%[7]，如果用更高的EGR、适当增大动力电池、用电热催化器，有进一步降低排放的潜力。
图22 5种混动的整备质量、附加质量和增重续驶指数[7]
图23 电机和发动机功率分配[7]
4.2 针对柴油车的48 V混动理念
混合动力也是柴油车进一步节能的技术方向之一，FEV针对柴油车给出了48 V混动设计理念及成果，柴油发动机的气路[10]如图24所示，驱动系统[10]如图25所示，发动机前端装有BSG（48 V），配备电动压缩机（48 V）、12 V发动机起动机和12 V车载网。
图24 HECS-Ecobrid气路[10]
柴油车含混合动力功能的软件架构[10]如图26所示。通讯、故障管理和复杂驾驶员等基础软件没有变化。在应用软件上，需扩展的功能有协调动力总成控制模型（Coordinator Powertrain Operating Model，CoPOM）、发动机扭矩结构（Engine Torque Structure，ETS）、发动机运行模式选择（Engine Operating Mode Determination，EOD）和应用级故障管理。新增软件功能有能量管理、动力增强控制、BSG控制、能量回收、电压缩机控制、DC/DC控制。
图25 FEV-HECS-Ecobrid驱动系统[10]
图26 包括混合动力功能的软件架构[10]
在发动机转速为1 200 r/min时，不同增压策略下的发动机进气管压力、排放随时间的变化情况[10]如图27所示。WLTP工况下不同措施的节能效果[10]如图28所示。
图27 不同增压策略下的排放[10]
5 汽车电气化的发展与市场预测
5.1 汽车电动功能的需求增长
汽车电动化后，汽车产品电气功能和用电需求不断增长[4]，预测的结果如图29所示。2025年汽车电动或电气功能的最大用电需求增长至12 kW，是2015年的3倍。
图28 48 V综合措施的CO2减少量（WLTP）估算[10]
图29 不断增长的产品功能和用电需求[4]
5.2 混合动力汽车的市场份额预估
随着保护环境和节能的要求越来越高，混合动力汽车在业界受宠，比较乐观的估计，以2015年为起点，基于LMC汽车咨询公司的分析，传统内燃机和混合动力汽车市场的预估结果[10]如图30所示。目前，我国的插电式混合动力研发和生产投入还较少[11-12]。
图30 各种汽车份额预估[10]
5.3 48 V技术的未来需求预测
比较乐观的估计是，到2025年，全球对采用48 V产品车辆的总体需求达到1 050万辆，全球平均年复合增长率为28%，如图31所示。
图31 2015～2025年48 V系统销量[4]
6 结束语
在相关政策的导引下，中国的纯电动汽车研发和生产投入较多，插电式混合动力投入较少，48 V技术的研发与应用更少。面对电动汽车的配套设施还不完善及燃油车仍是主流的现状，以及未来电动化零部件不断增多的需求，国内车企也应紧密跟踪48 V技术的最新发展趋势，重视48 V系统部件的研发与应用。
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