电池研究院:为何汽车需要48V电压系统?

2021-03-25 10:18:53 作者:黄恒乐

电池研究院:48V电压系统……

 
“嫌太长只看60秒”版

  1、车上有不同的电压系统,12V电瓶最常见,48V正在引入,200V以上是可以驱动车轮的高压系统。

  2、48V混动也算混动,别拿村长不当干部,这玩意又省油又便宜,从全车生命周期算下来很值得。

  3、48V系统长下面这个样:

电池研究院:为何汽车需要48V电压系统?

  4、豪华品牌最爱48V,因为12V不够电用…… 德系、美系是先锋,中国品牌在追赶,日系比较佛系。

  5、12V电瓶还是要花钱买。

 
常见的车载电压系统

  早期的内燃机汽车产品并没有电气系统,启动用摇柄解决(就是现在的手扶拖拉机“钥匙”),喇叭用铃铛解决,大灯则由内燃机直接供电。

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  1918年,AMC的前身,也即是哈德逊汽车公司(Hudson Motor Car Company),将6V电压带进量产车装配序列,并逐步催生了车载电灯和车载启动机的装配。

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哈德逊Phaeton’ 1917

  经过了30多年的发展,6V电压系统被打败了,从笔者的历史观来看,征服它的是美国人。

  美国赢得二战,积累了巨额的社会财富,美国豪华车成为整个20世纪50年代最顶尖的民用工业产品,动辄6-8L排量的美式大V8发动机让6V电压系统腰腿酸痛。当然,世上没有6V电压系统干不了的活儿。如果有,那就串联两个6V。这就是我们当今还在用的12V铅酸电池之由来。 

电池研究院:为何汽车需要48V电压系统?

  2010年发布的保时捷911 GT3 RS可以选装锂离子电池,官方称可以减轻10kg重量。不过这项配置也并未持续下去,因为锂离子电池并不太适合担当铅酸电池的低电压低自放电角色。

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  有些重型车辆会使用两套串联的24V电压系统给电气系统供电,或者串联成24V之后再并联成更大能量的组合。

  1988年,美国豪华品牌们顶不住车内用电器激增之后的电量匮乏问题,比如凯迪拉克就是在那个时候全球首次安装卫导航系统的,美国汽车工程师学会(SAE,Society ofAutomotive Engineers)最终倡议将乘用车的标准电气电压提到42V,不过最终没能推动下去。

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  豪华品牌们苦低压系统久已。你看常见的发动机自启停系统,即便用上AGM电瓶(Absorbent Glass Mat Battery)也已达7kW左右的功率极限,电路的鲁棒性跟印度电网差不多……

  一直到2011年,德国豪华品牌们也扛不住弱鸡的12V电压系统了,开始组团提倡使用48V电压系统,并推出了一个新的行业标准LV148。

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  48V电压系统有了4倍电压,电池包的能量进一步提升,可以经受更长时间的内燃机停机,还能通过BSG/ISG电机进行能量回收,协助车企们应付欧盟2020年的95g/km排放法规压力。

车用电压系统 典型产品线
电压能量输出功率配方用途应用场景
12V≈0.6kWh≈5kW铅酸小功率供电业界通用
24V≈1.2kWh≈10kW铅酸中等功率供电房车/重型车
36V≈1.2kWh≈15kW锂离子大功率供电基本停用
42V≈1.5kWh≈20kW锂离子大功率供电基本停用
 48V≈1.5kWh≈20kW锂离子MHEV轻混系统
大功率供电
业界通用
 90V≈0.5kWh≈10kW锂离子MHEV轻混系统
大功率供电
通用集团
≈200V≈1.3kWh≈100kW镍氢HEV重混系统
驱动与供电
HEV
≈250V≈1.6kWh≈100kW镍氢FCV氢燃料
电池汽车

蓄电与驱动
丰田FCV
≈350V≈20kWh≈200kW锂离子PHEV插混系统
驱动与供电
PHEV
380V40-150kWh≈300kW锂离子BEV纯电系统
驱动与供电
BEV
800V≈100kWh≈500kW锂离子保时捷800V
纯电系统

驱动与供电
BEV

  低于60V的,我们都叫低压系统,不会对人体造成过大的伤害。

  到了200V甚至更高,这些高压电池可以单独驱动车轮,因此我们称之为“动力电池”。

  比较著名的千万辆级HEV非插电式混合动力技术丰田THS,用的就是大约200V的高压电池包,不自燃、能量密度低、比较重、循环寿命超长的镍氢配方。

  大约250V的动力电池来自丰田引以为豪的Mirai氢燃料电池车,用来储存氢燃料电池系统生产出来但还没来得及用完的电,以及能量回收系统刚刚收回来的残余电能。

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  从300V往上都是可插电的动力电池产品,目前电压最高的乘用车电池产品是保时捷的800V系统,是当前主流400V(附近)系统的两倍电压。这组电压范围为610-835V的电压系统源自保时捷919 Hybrid混动赛车,想知道919传奇故事的请点开下图,笔者写了好久的一篇长文,感慨坏了:

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  800V电压系统可以更高速地“获得电能”与“释放电能”,原理跟“文章临近Deadline时工作压力大增所以写得特别快”差不多。

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  通过增加电压,电缆损耗降低,电缆负载可以增加,这条定律也可以用来解释12V到48V的进化之路。

 
48V轻混车算不上混动?

  这么小的电池和电机,怎么可以算是混动呢?

  这是笔者一直在思考的问题,但最近两年终于理清思路了——我只要把所有混动系统(Hybrid Vehicle Drivetrain)看作内燃机(ICE,Internal Combustion Engine)的节能技术,就能把当前绝大多数的“油-电”混合技术融入同一个知识体系内。

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  换句人话:48V轻混,就是混动车之一。

混动系统对比
学名别称/
常见系统
自启停制动回收独立驱动
车轮
可充电
Micro Hybrid
微混
自启停系统×××
Mild Hybrid
轻混/弱混
48V轻混
MHEV
××
Full Hybrid
强混
HEV非插混×
Plug-in Hybrid
插混
PHEV插混

  加深理解一下:

  Micro Hybrid 微混 = 自启停系统 = 能让ICE歇10秒的12V混动系统

  Mild Hybrid 轻混 = MHEV = 48V BSG/ISG电机 = 能让ICE歇3分钟的48V混动系统

  Medium Hybrid 中混(不在表格内) = 我同事自己定义的 = Creep 电驱蠕行 = 能让ICE歇100米的高压中混 = 斯巴鲁13PS/0.27kWh混动

  Full Hybrid 强混 = 双擎那种HEV = 能让ICE歇3公里的高压强混

  Plug-in Hybrid 插混 = 唐DM那种PHEV = 能让ICE歇50公里以上的、可充电的高压强混

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典型的PHEV高压电池结构

  听笔者念完上面这几串,大家应该基本理解目前最主要的四种混动形式了。其中微混是每台自启停汽柴油车都有的,轻混是现在市场热推的48V车型,强混是双擎那种超省油但不插电的混动车(鸡肋到炸的动力居然叫“强”混),插混就是能补电、能享受国家补贴的。

 
为何车企如此热衷48V电压系统?

  先不聊学术的事,我就问大家一个问题:有什么商品是人见人爱、车见车载的?

  好东西 = 便宜 + 好用

  害,就是这么简单。因为48V系统是最高压的低压系统(混动节能效率最高),又不需要高压系统(HEV/PHEV/REEV/FCV/BEV)的繁琐电控/绝缘/热管理,这分明就是鸡头凤尾中的优质鸡头,

  再聊深度一点,就有以下这么多点:

1
 
政策驱动

  《中华人民共和国节约能源法》《中国制造2025》《汽车产业中长期发展规划》一直在强力推动车企进行ICE系统的节能化改造,唯一可能的方向就是部分电气化(从微混到插混)。

  大家是不是习惯了一上车就关掉发动机自启停系统(Micro Hybrid)?因为这默认开启的讨厌玩意根本省不了几秒的油,振动还贼大,大夏天的没经同意就给你停了空调压缩机,完全就是车企为了应付油耗测试弄出来的。如果要评选“实际上最垃圾的汽车配置”,自启停系统认第二,没技术能认第一。

  我国乘用车新车的2025 年目标有多苛刻呢?下降至 4 .0L/100km,对应二氧化碳排放约为 95 g/km。

  单凭48V轻混动肯定打不到,但2025还远着呢,作为过渡的低耗减排技术,绝对是当前最明智之选。

2
 
成本驱动

  可变截面涡轮很好,我知道。

  可变压缩比很好,我也知道。

  HEV强混系统更好,我更知道。

  多少钱给装一个啊?这个问题太刻薄了,无法回答。如果我们仅仅需要优化5%左右的驾驶循环油耗,那么48V电压系统下的BSG/ISG才是最高性价比的选择。当然,理论上可以优化12%左右,只是当前实测数据并不支持这个假设(我是不是太客观太老实了)。

  一套48V系统,成本仅需大约600元人民币就能完成大约1%的油耗优化,稳赚的生意谁不做?

3
 
技术成熟

  48V电压系统广泛推行的另一个重要原因是产业跟上了,BSG与ISG电机越来越便宜,电池技术也得到了一定突破。

  锂离子电池在PHEV和BEV的井喷式发展大潮中得到了技术革新,现在用在48V系统中的1.5kWh低压电池包在外尺寸、整备质量、充放电速度、成本控制、安全性上都有了很大的改进。

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4
 
设计驱动

  上帝的归上帝,凯撒的归凯撒。

  低功率负载归12V系统,高功率负载归48V系统,12V扛不住的负载就别硬上,勉强没幸福。

  以下负载,交给48V电压系统之后大有前途:

  a、BSG/ISG电机:更大功率的启停一体式电机,还能进行动能回收,ISG甚至可以给到扭矩辅助(虽然很少)。

  b、电子增压器:增压器电气化之后,涡轮迟滞就没有了,什么转速下都能给让涡轮有正压,动力输出的突兀自然少了很多。

  c、空调压缩机与PTC加热电器:食量变态的耗电角色,功率分别都在4kW左右,挂到1.5kWh锂电池上之后,就不用烦恼每次自启停就停止制冷(12V电压系统根本扛不住)。

  d、空气悬架:空气悬架(弹簧)里头有空气压缩机,用上更大功率的48V系统之后可以确保空气悬架反应更快。

  e、转向助力系统:果断投向48V。

  f、后轮转向技术:后轮电机给到48V系统服务,响应速度也更快。

  g、泵:油泵水泵各种泵,交给大功率的48V系统吧。

  h、智能车机系统:下图自己感受,L2+的200TOPS算力要耗掉45W(笔记本充电功率),L5的2000TOPS就是800W,请问12V系统一共才多少kW?

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  低功率负载还是可以交给12V电压系统的,比如照明系统(LED化之后很节能)、信号系统、蜂鸣器、仪表盘、电窗门锁以及发动机喷油点火系统等等。

4
 
用户需求驱动

  用户买车就是图个性价比,48V轻混动车子没升价/只升一点点钱,可以换来挺多的:

  a、自启停系统的平顺性大幅度增加。

  b、能量回收过程中的心理愉悦。(因此车企喜欢把能量流显示在仪表盘/中控屏上)

  c、能量回收反拖可以省刹车片,且因反拖力度不大,不会恶心到驾乘人员。

  d、真的能省0.3-0.8L/100km的油,省钱了就是好事。

  e、车辆可以配置更多大功率负载,豪华、智能得以实现。

  f、有些BSG电机可以在换挡期间调整ICE的转速以消除自研自产自销的垃圾双离合变速箱之顿挫,具体是哪个聪明品牌我就不点名了。

5
 
宣传驱动

  除了以上6个小点的用户得益,开节能汽车如今也成为了一种政治正确,车企当然也想通过相关的宣传来展现用户群体“拥有精英人群的社会责任感”。

 
48V电压系统如何协助节油?

  进入本文最重要环节,但这节的内容非常复杂,单劈一篇万字长文是没问题的,但读者们应该会直接关掉网页……

  所以笔者今天就只用2张图把事情简单说一下。

  先做一张图展示48V与12V双系统是怎样联合工作的:

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  配合上图解释如何节能:

  1、能量互通:两套电压系统是互通的,理论上都可以通过DC-DC互相升降压充放电供给对应电压的负载,因此总系统不易亏电,不用经常启动内燃机。

  2、滑行储能:48V系统加入之后,车辆更容易实现滑行储能模式,也就是视觉传感器、位置传感器、卫星信号判断你要进入“滑行至停止”这个工作,提前30秒左右停掉内燃机并让BSG/ISG反转发电。

  3、反转储能:BSG/ISG作发电机用,能量来源可能是刚刚提到的滑行,可能是内燃机经济转速下的剩余动能,也有可能来自专门的发电模式。比亚迪DM3系统就有发电模式,让汽油机固定在1500rpm 用BSG进行8kW发电,实际上不好用。

  4、能量大增:内燃机运转时可以电系统充电,12V铅酸电池与48V锂电池的总能量一般在2kWh左右,足够红灯前吹好一阵子空调冷风了,不用经常启动内燃机。

  5、扭矩辅助:ISG电机可以提供50N·m左右的驱动扭矩(但不能单独驱动车轮),帮内燃机降负荷,一定程度上降低了油耗。

  接下来笔者上一张多年前P的老图,这里基本说清了电机位置和作用,其中48V系统可以供给P0(BSG)、P1(ISG)、P2、P0+P3四种电机布局使用。

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  目前市面上见到的48V电压系统之电机,基本都是取代原发电机位置的BSG电机,因其成本最低、结构最简单,多数12V车型随便一改就能成为12V+48V的BSG轻混车型。

 
有哪些车企正在主推48V产品?
1
 
德系

  德系是后来者,反而居上了。究其原因,便是因为德系豪华品牌太多了,高功率负载多,老早就受不了12V电压系统了。

  奔驰从W221那一代奔驰S级(2006-2013)就开始做48V系统的尝试,宝马则在ActiveHybrid 7(2010-2012混动7系)上进行了试验。最终第一个跑出来的不是奔驰宝马,而是2017年发布的第四代奥迪A8(D5)。笔者印象深刻,是因为那篇首发技术解析稿是熬夜写的。

  不过A8的48V系统用了更简单、更便宜、无法进行扭矩辅助的BSG电机,虽然没对动力有帮助,但油耗有了0.7L/100km的下降。同样的系统很快就用到了奥迪A6(2018)、A7(2018)、Q7(2020)、Q8(2020)、A4(2020)、Q5(2021)之上。

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  奔驰肯定不会落伍,EQ Boost 48V立刻奉上。请注意,这是一台更高阶的ISG电机,不仅帮助省油,还能进行扭矩辅助(因为在发动机飞轮输出端)。这些ISG很快就装备到了C级(2018)、CLS级(2018)、S级(2018)、AMG GT53(2018)等车型上。

  那个,AMG车主现在也考虑省油吗?

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  至于宝马,其实上一年5系就在海外铺开了48V,但华晨宝马还没有跟进。第八代大众高尔夫也有48V,第四代EA888天生就跟48V匹配,预计以后德系是铺48V最积极的一个阵营。

  保时捷呢,当初不是48V的主要发起人吗?是的,保时捷很需要48V电压系统来伺服主动防倾杆。空气悬架等高功率负载。

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  此外,保时捷911也在做更加深入的电气化尝试,先是自启停微混,然后是48V轻混,以后还会有插混甚至纯电。

2
 
美系

  通用集团是低压系统高压化(12V一次,42V又一次)的先行者,旗下几个品牌都玩过48V轻混,比如土星在2007年开始做轻混,不过最终还是全面转向48V。

  跟德系品牌一样,最先量产48V轻混系统的电力需求最大的豪华品牌。新出的2021款凯迪拉克XT5和XT6全系都铺了48V轻混,ISG电机功率10kW,可以给50N·m的扭矩辅助。因为是ISG,所以不需要改原来的发动机和变速箱,在年款车型上都能直接装备。

  凯迪拉克给出的综合工况节油成绩是“节省5-6%”,足够老实,因为很多三四线车企就喜欢给你标一个10%左右。

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  实际上,这个比例的确比较可以了。我之前用的LTG引擎没可变缸技术,变速箱也是老款的8L45,超速挡位减速比不够大,所以高速油耗还不够极致。后来换LSY+9AT之后,一百公里可以省2.5-3.0个油,主要功劳是可变缸技术和更加省油的9号超速档。现在凯迪拉克推出“2.0T可变缸涡轮增压+9AT+48V”组合,还能再优化5-6%,ICE的停机时间可以更长。

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  美系另一大阵营是福特集团,不过可能因为上一年长安福特混得不够好,所以没有及时引入48V系统。中国消费者对“三缸”这个词太介意了,实际上福特的EcoBoost三缸机非常高效率,配上48V电机之后还能省更多油,海外版的福克斯和嘉年华早就用上了。

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  大家有没发现我没提林肯……哎,一个以NVH取胜的豪华品牌,怎么现在还没48V电压系统引入中国呢?

  就如前文提到的那样,美系品牌是高压化先驱,像凯迪拉克/林肯这种开始逐步铺智能车机、自动驾驶、主动悬架的品牌,现在正是时候全面搭载48V,一方面解决电力窘况,一方面提升平顺性和静谧性,一方面的确也能省点油。

3
 
中国品牌

  比亚迪在2013年推出了自家的48V弱混技术,他们叫“绿混系统”(希望基金读者不要介意),不过这款弱混系统并不怎么出名。真正卖断货的是第二代唐DM,很多订金用户(不是没交钱的意向用户哈)最近等不到车放弃,这种热销场面对于比亚迪而言是第一次。

  虽然唐DM用的是不能进行扭矩辅助的BSG电机,但还有P3和P4两台大功率驱动电机,所以动力输出强势得可怕。

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  吉利也是推动48V的产业巨头,他们主打的是接地气的BSG电机,不过官方说能省15%(!!!)。笔者看到有媒体软文吹“吉利能省15%,奔驰奥迪远不如”就觉得特别恶心。

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  此外,一汽、长安、广汽、长城等品牌也都在跟进48V,而起步比较早却被反超的是江淮,我们2017广州车展就解读过他们家的48V轻混系统。

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  为什么单独说说江淮呢,因为他们这套HyBoost轻混系统用的是磷酸铁锂配方的48V电池,能量只有区区0.38kWh…… 我一直很想试试装机之后会有哪种级别的节能效果。

4
 
日系品牌

  日系品牌,笔者简要讲三句。

  第一句:丰田本田拥有强势的HEV强混技术,对48V兴趣不大。

  第二句:马自达和斯巴鲁这两家只用工程师脑袋想东西的厂家从2019开始逐渐尝试48V系统。

  第三句:铃木发力最早但其中国市场失败了,刚发布的日产逍客有48V但不知道是否引进。

5
 
供应商

  48V市场兴起,将产生巨大的利润市场。因为电池、电控、电机都可以外包,所以……基本上买回来装机调试一下就能用了。

  大陆集团专注做BSG电机,另一个巨头博世也在不断研发新的BSG,宁德时代给它提供48V电池包。

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  此外还有德尔福、法雷奥、日立、舍弗勒等等零部件巨头也参与了这块蛋糕的抢夺,不知道为什么电装没声没气。

 
汇总48V电压系统的优势
1
 
12V真的不够用

  从6V到12V再到48V,汽车电压系统见证的是汽车产品逐渐迈向电气化与智能化的历史。在21世纪的汽车产品中,为安全性能、舒适功能、智能化配置、电气化底盘、自动驾驶运算服务的高功率负载越来越多,储能装置能量不足的问题越发明显,提升电压与电流可更好地满足负载的需求。

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2
 
48V系统其实很轻巧

  48V电压系统的推广并不算迟,因为锂离子电池在上世纪90年代初才正式铺开,经历了30年的制造、使用、迭代之后,才终于达到今天车规级48V电压系统的要求。否则,我们得用4组12V铅酸电池进行串联,这就相当于一台手动变速箱的重量了。

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3
 
此外,成本上也很“轻巧”

  48V需要执行的另一项重任是降低排放与降低油耗。按照目前动力电池技术的成本和性能估算,内燃机会在接下来20年内继续成为乘用车动力的“大半壁江山 – 半壁江山 – 小半壁江山”,48V系统作为性价比最高的混动机构,必然是最受宠的。

4
 
节油效果看得见,不是玄学

  12V自启停系统也能节油,为何48V才是王道呢?

  因为12V电压系统对应的自启停振动太可怕了,我上车第一件事肯定是关掉自启停,不能为了省几滴油损失整个旅程的平顺性。

  我们都会说一个网络词汇“力大砖飞”,实际上48V自启停的确可以用大力出奇迹,48V可以搭载10-15kW大功率BSG/ISG电机,平顺性上去了,消费者才肯用自启停系统。

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5
 
48V系统对平顺性确有贡献

  48V自启停的速度更快,比如通用48V自启停的速度就比12V自启停快了0.2秒,动力衔接更好,整车平顺性更高。

  在滑行的时候,48V还能进行动能回收,而且发动机断油时间大大增加了。

  在起步的时候,因为ISG电机可以给到辅助扭矩(奔驰、宝马、凯迪拉克、雪佛兰等),所以起步可以更轻盈更平顺。

  在换挡的时候,有个我不愿意点名但的确卖得很好的国产品牌,用BSG电机避开了双离合换挡时此前一直无法根治的顿挫。

  在凡尔赛的时候,比如你的车子有48V电子涡轮,恭喜啊,涡轮迟滞没有啦。

 
最后解答一些常见疑问
1
 
12V电压系统要被淘汰了吗?

  答:暂未。12V产业链标准化之后,这项技术就一直用到现在,包括特斯拉Model S、保时捷Taycan、蔚来ES6在内的几乎所有电动汽车都在使用它来供电。当然,并非驱动车轮。

  不过,48V电压系统的确会逐渐替代12V电压系统,这个过程是以十年计的。

2
 
48V电池会自燃吗?

  那个……凡是电池都有自燃的风险,凡是汽油车都有自燃的风险,凡是炸鸡都有炸得不好吃的风险。

  低压系统基本可以保证不自燃,毕竟我也没怎么听说过有小朋友玩四驱车把屋子烧了的。高压系统的自燃风险高很多,毕竟工作压力大一个量级,风险就几何倍数飙升了。

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3
 
为何我的48V混动不省油?

  因为BSG是搭配自动启停使用的,若你一上车就把启停关了,自然就没有多少节能作用了。之前我们关自启停是因为12V电压系统给到自启停系统的功率只有4kW左右,功率不够自然就抖啊。

  现在BSG和ISG电机动辄10-15kW,力大砖飞,不抖了。

4
 
奥迪的12V轻混是什么鬼?

  新款奥迪A4有12V轻混系统,12V铅酸电池+12V锂离子电池(0.12kWh),BSG电机的功率从48V系统的8kW缩水到12V系统的5kW,每100km理论节省0.3L汽油。

电池研究院:为何汽车需要48V电压系统?

  把它当成一个动能回收装置,省出来的能量给车载用电器用,差不多就这个意思。

(文:太平洋汽车网 黄恒乐)

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