48V輕度混動系統威力究竟幾何？

從1997年豐田推出第一代普銳斯開始，混合動力的概念就開始在消費者之中口耳相傳開來。當然，這裡車轍君所說的混合動力不是指那台二戰時期費迪南德·保時捷博士腦洞大開的電傳動坦克底盤，也不是調侃某德系品牌的汽油機油混合動力，而是實打實的為傳統內燃機施加電力魔法的油電混動系統。

豐田混動系統經歷了3代的發展，目前最新的第四代普銳斯搭載的是THS-3系統

中東地區對於資源爭奪的戰事頻頻，全球石油價格飆升，讓所有人都無比擔心人類有一天會把地球母親的黑色血液抽乾淨。相對於喝著燃油振動不斷還放出黑色臭屁的內燃機而言，使用潤物細無聲的電能安安靜靜幹活的電動機就像是一位優雅的紳士，在不斷的昭示人類自己才是未來的主宰。不過相對於電動機這個喝著紅酒的優雅紳士，人類對於電能的儲存技術仍舊處於刀耕火種的野蠻人時代。各種層出不窮的新技術電池因為穩定性原因難以走出實驗室，而那些走出實驗室的電池大部分的性能也難以讓人滿意。當然，也有廠商不顧一切的強行推行新產品，不過結局註定是悲慘的，嗯，說的就是你，三星Note7。

混合動力似乎是一個從內燃機車過渡到純電動車的橋樑。當電能儲存技術差強人意，而內燃機又逼近理論極限的時候，混合動力成為了各家車企面對日益嚴苛的排放標準時的一根救命稻草。但是，飯要一口一口吃，路要一步一步走。就算這座橋樑已經在我們的面前，我們如何登上這座橋樑，仍舊是一個難題。

1. 混合動力系統仍舊存在問題

對於汽車而言，電動機是現成的，電池也是現成的，怎麼把他們加到汽車上才是最關鍵的問題。

傳統內燃機車的動力總成布置是非常成熟而且模式化的。從後排座椅下面的油箱開始，發動機吸溜吸溜不斷喝下從油泵送來的燃油，然後把輸出的動力通過離合器送給變速器，變速器把速度調節到合適的範圍後送給車輪，車輪旋轉推動汽車前進，整個系統簡明而清晰。但是混合動力系統，粗略的說可以分為並聯混動，串聯混動以及混聯混動，細分來說，任何一個廠商的方案都是不同的。就連混動三神車，就算他們具有不分上下的賽道成績，但三輛神車的混動系統布置方案也是完全不同的。

三大神車，雖然結構各異，但是都代表了高性能汽車未來的發展方向

不僅是布置方案上的不統一，這些混動汽車對於電池的保護，以及控制策略的匹配也是個大問題。眾所周知，相對於安分守己的燃油，電池可以說是個傲嬌的大小姐。天氣太冷太熱都會罷工，長時間不用或者頻繁充放電還會削弱電池的性能。為了讓電池能夠在低溫下工作，冷啟動的時候需要消耗額外的燃油為電池加熱，而天氣太熱的時候又需要消耗能量為電池散熱。同時，為了盡量延長電池的壽命，BMS（電池管理系統）的設計可是讓一眾汽車工程師熬出了一腦袋白頭髮。

就算電池的問題解決了，這些電池的輸出電壓高達200-300V，如何在狹小的環境里做好電磁屏蔽與高壓保護又給電氣工程師出了難題。就算保護措施做好了，電池自己肥胖而沉重的身軀會讓整車的重量大增，無形中反而又增加了對於總功率的需求。說白了，還是電池能量密度低，對工作環境要求苛刻的「鍋」。

但是政客們和環保主義者並不在意這些。在極端的環保主義者看來，汽車這個不停地吸著地球母親的血並且把他們轉化成廢氣的機械野獸簡直就不該出現在這個世界上。就算電池技術再如何不堪，就算混合動力的布置再如何困難，面對越來越嚴苛的排放法規和日益高漲的性能需求，混動這個魔法，沒有條件創造條件也要上了。

不過車轍君自己的觀點是，在電池技術發展處於瓶頸的今天，暫且不說純電動汽車會不會一定是未來的選擇，至少混合動力汽車是未來發展的必經之路。受制於熱力學定律，內燃機正在不斷地接近自己的物理極限。20世紀末的保時捷旗艦車型，918的祖爺爺959，「僅僅」擁有450匹馬力的最大功率，而他的後代的最大功率已經達到了這個數的兩倍。今天一台渦輪增壓的四缸2.0T發動機都能夠達到這個數據，說明內燃機的發展已經進步了許多，但是即使科尼賽格one：1能夠憑藉高增壓壓榨出的喝油怪物機器在直線加速賽上戰勝三台混動神車，我們仍舊認為三神車是今天人類汽車工程成就的最高結晶，因為他們不僅代表了今天的技術，還指明了未來的方向。

2. 48V輕度混動系統的前身

通向純電動汽車的橋樑——混合動力汽車並不是一個平直的公路橋，人們想要走上去仍舊需要付出相當的努力。縱觀前面的介紹，我們可以發現，所有這些技術的開發，目的都是一個：減少油耗。因此，有兩個技術就被開發出來了：發動機自動啟停技術與制動能量回收技術。

在現行的油耗測試標準下，汽車在怠速期間消耗的燃油是要被計算在內的。這個時候發動機處於光吃飯不幹活的狀態，發動機起停技術能夠讓發動機在這段時候「斷糧」，從而減少油耗。

但是這個技術在國內並沒有什麼人用，很多人上車之後就關了它。原因無非有兩個：首先是國內的路況比較擁堵，常常有走走停停的情況。而很多時候，還會面臨加塞與反加塞的小規模戰鬥，由於變道加塞者一般都要負事故的主要責任，因此這種局面往往變成了「誰剎車誰孫子」的鬥氣情況。而當前面車剎車燈滅掉開始緩緩前行的時候，自己的發動機卻還沒有啟動，就很容易被隔壁虎視眈眈的人插了隊。為了能夠在無窮無盡的加塞爭奪戰里取得勝利，好勝的司機們決不在意自己是不是在等候的幾秒內多消耗了幾克汽油。這是一個原因，還有一個原因就是，現在的起停技術的NVH性能較差。NVH性能可以粗略理解為汽車的振動及雜訊粗糙度性能。由於現在汽車的內部使用12V系統，啟動電機的功率較小，容易增加發動機的啟動時間，並且導致發動機在啟動過程中出現較大的振動，會給人們帶來不舒服的感覺，因此很多人會選擇關閉這個雞肋的自動起停功能。

加塞變道在屬於常見的駕駛路況

至於制動能量回收技術，那就是另一個故事了。制動能量回收是指，將制動時候的熱能轉化為其他形式的能量儲存在汽車中供需要的時候使用。一般來說，制動能量回收有兩個途徑，一個是用車輪反拖電動機，從而讓電動機的阻力輔助制動，並且把發出的電能儲存起來。這一項技術並不是什麼全新的產品，已經被廣泛使用在了電力機車（就是火車）上許多年了。但是這種結構需要一個電池和對應的電氣系統來回收，並且需要一個獨立的發電機來轉化能量，由於現在的12V啟動電機過於弱小，無法很好的完成這個任務。二是使用飛輪儲能，將高速旋轉的車輪與飛輪直接連接，把能量儲存在高速旋轉的飛輪中，需要的時候釋放出來。這一項技術目前只有在F1的KERS系統裡面使用，因為飛輪的工作特性並不是十分適合於量產車上使用。

F1賽車上的KERS飛輪能量回收系統

說到底，由於傳統的12V低壓系統電力不足（低電壓高功率會導致更大的能量損耗），導致自動啟停系統的使用感受不佳，或者能量回收系統難以大範圍應用。這個時候，提升車載電氣設備的電壓這一需求也就呼之欲出了。

3. 48V系統好處都有啥

到底48V混動系統能不能像金坷拉一樣讓能量不流失不浪費不蒸發呢？車轍君這就跟大家一起分析一下。48V系統是指，將整車的電氣系統電壓提升至48V，並且在車內使用一個容量約為1千瓦時左右的鋰電池作為儲能工具，並且使用更大功率的起停電機與發動機曲軸相連。這也是被稱為「輕度混動」的48V系統的基本結構。

可能很多人都有印象，在有些比較老的車型上，發動機啟動點火的時候整輛車的中控儀錶燈，喇叭，甚至空調都會暫時停止工作，把能量輸送給啟動電機使用。在使用自動啟停系統的汽車上，這樣的情況可不能再出現了，不然堵車的時候頻繁出現空調停擺，音樂沒聲的情況，會讓其他乘客以為這輛車是不是壞了。現代汽車的電氣設備越來越多，不僅僅是動輒十來個喇叭需要的巨大音箱功率，還有電控轉向，純液晶大屏儀錶盤等等這些與駕駛息息相關的設備，這些設備絕不能因為啟動電機對能量的貪婪而停止堅守自己的崗位。那麼，使用更高的電壓與更大功率的電機（15-20kw功率）能夠實現在不影響車內這些設備的前提下，保證啟動電機的正常工作。

另一方面，由於電機功率的提升，啟動階段的NVH特性（具體NVH是什麼請往前翻）會得到極大的改善，發動機啟動會變得更加平順，並且，啟動速度會顯著加快。對於某些走走停停的區間，這套48V系統的控制策略上還可以僅憑藉電動機的功率拖動車輛慢速前進而不必啟動發動機，進一步提高燃油經濟性。

48V混動電機布置位置示意圖

除了起停性能的改善，這個直接連接在發動機曲軸上的電機，再也不是像那個羸弱的12V前輩一樣無力承擔制動能量回收系統的重任了。這個48V電機有足夠的發電功率來應對制動能量回收系統從剎車盤源源不斷送來的能量。當汽車ECU檢測到駕駛員剎車的時候，就會停止發動機繼續向外輸出能量，並且將發動機、電動機與車輪連接在一起，一方面藉助發動機運行阻力來為車輛減速，另一方面也能拖動電動機旋轉從而將其轉化為電能。在這兩套系統的加持下，剎車片需要摩擦剎車盤減速的能量需求就少得多了。

而剛才提到的1千瓦時容量的更大的鋰電池，也是經過精心設計，多方妥協的結果。電池太大了，需要更為嚴格的電磁屏蔽條件，另外，對於電池的保溫和控制系統也會成為極大的挑戰。同時，過大的電池還會在布置上產生問題。而電池過小則無法推動更為強大的電機和更多的車載電子設備。因此，這個電池的設計必須要「剛剛好」才可以，有足夠的能量儲存來自剎車系統的能量回收，並且能夠驅動電機工作足夠長的時間。

隨著電能的逐漸提升，電力設備還能夠提供的一個額外利好就是電動渦輪。眾所周知，現在內燃機，尤其是小排量增壓內燃機為了能夠讓渦輪儘早的發揮作用，紛紛開發了多級渦輪增壓、機械/廢氣雙增壓、單渦輪雙渦管、可變幾何尺寸葉片等技術，可以說無所不用其極。但是，常見市售車的渦輪發動機還是存在一個問題就是高速超車的時候動力儲備不足。這和渦輪的設計調校有關，其高效率區間是有限的，不可能全轉速區間都能發揮最大的工作效率。這個時候，如果我們能用電動機在排氣流量不足的情況下給廢氣渦輪助一把力，那麼就能夠讓渦輪更好的把高效率區間放在高轉速區域，從而提升全轉速區間的工作效率。由於渦輪的轉速非常之高，因此在沒有高性能電動機與強大的電力系統驅動之前，這一項技術是很難真正普及到量產車上的。只有有了48V系統，這些技術設想才能變為現實。

4. 小步快跑地進入混動時代

48V系統之所以稱之為輕度混動，是因為電動機在這其間極少直接單獨負責驅動汽車，而更多的時候是作為能量回收工具，以及發動機輔助工具出現的。電力的魔法之所以不能夠一下子為傳統內燃機車黃袍加身，是因為在目前的技術條件下，我們對於電能的儲存仍舊存在著各種各樣的問題。就算是插電式混合動力汽車（PHEV），也需要整晚整晚的充電來餵飽那個傲嬌的電池。而一旦電池能量不足的時候，純憑藉那個小得不能再小的內燃機拖動巨大的車身加電池組並且為電池充電，甚至會讓駕駛員懷疑自己是不是在開兒童公園裡的遊樂車。所以，當目前的技術壁壘難以一下全面破解的時候，汽車工程師從輕度混動系統入手，才能逐漸的將混動技術開發成熟，讓大家小步快跑地進入混合動力時代。