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2021/12/25
近日，日立公司針對中混動力汽車開發出了適合小排量車型的高動力輸出的48V鋰離子電池組，由於其系統兼備良好的降低油耗效果和較高的性價比，有望在和歐洲普及。目前市場上的48V系統主要用於微混和弱混合動力汽車，此次日立開發的鋰離子電池組進一步開拓了48V系統在混動汽車領域的應用。
148V系統的概念
為了更有效的節能減排，提高燃油經濟性，人們在發動機本身改造與換一套全新的動力系統之間，找到了一個新的系統，就是混合動力系統。現在普遍應用的是油電混合系統，即在汽柴發動機的車上，再加上一個電動機，兩個發動機一起工作。最初的微混系統是在傳統內燃機上的啟動電機(一般為12V)上加裝了皮帶驅動啟動電機(BSG)，該電機為發電啟動(Stop-Start)一體式電動機，用來控制發動機的啟動和停止，從而取消了發動機的怠速，降低了油耗和排放，也就是所說的12V微混系統，具有自動啟停的功能。
48V系統是對12V微混自動啟停系統的改進，該系統電壓為48V，用能量小於一度電的功率型鋰離子電池代替傳統的鉛酸電池，用BSG電機代替傳統的啟動電機和發電機，相當於一個增強版的自動啟停系統，除了自動啟停的功能之外，還能夠在必要的時候，提供輔助動力。
248V系統的來源
48V系統的概念最早來源於2011年德國的幾個整車廠商包括奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾聯手推出的並制定了LV148標準。2013年6月，歐盟批准了2020年二氧化碳排放標準，該標準要求到2020年新車平均二氧化碳排放水平控制在95克/公里;歐洲汽車製造廠商如果將來不能滿足有關 CO2排放量限制的要求，將面臨每車每超每克最高95歐元的罰款。這種強制性的標準促使整車廠和零部件供應商從不同技術路線降低車輛的油耗，48V系統因其增加有限成本能顯著節能減排的優勢，成為業界內人士關注的焦點。
348V系統的優勢及關鍵技術
英飛凌公司認為48V系統的發展是基於以下幾點：
12V啟停雖然低成本，但是CO2減排有限;
高壓混合動力減排多，但是系統成本增加較多;
48V以接近12V啟停系統的成本;
提供接近高壓混合動力技術的性能;
CO2 減排最多可達15%甚至更多;
系統成本目標是小於1000歐元;
可提供除動力系統以外的負載以更高級更節能的設計。
相對於12V微混系統的優勢，德爾福派克亞太區新能源產品經理洪英林給我們舉了一個例子：「比如說空調，傳統汽車在等紅燈的時候，發動機處於怠速，皮帶驅動的空調壓縮機可以繼續工作，空調照樣製冷。但是對於有啟停功能的車來說，等紅燈時需要轉換到電動空調，不然乘客就要忍受等紅燈或堵車的時候沒有空調的環境。一個電動空調壓縮機的功率最低要2.5kw，如果用12V供電，電網就難以承受，用48V就沒有問題了。此外48V一側還可以給主動懸架，電動轉向，電動暖風等供電。」
目前日本市場上的主流是配置100V以上高電壓型電池的強混動力汽車，採用的是100V以上的鋰離子充電電池模組，雖然能使混合動力汽車(HEV)大幅提高燃油效率，但專用元件和耐壓元件成本高。使用48V系統也會增加成本，但是相對於純電動汽車或強混汽車的成本來說，48V系統可節省成本 40%~60%，而且48V鋰離子充電電池模組還能提高10～15%的燃油效率。
48V系統規格的關鍵之一在於鋰離子電池技術，鋰離子電池技術可提供較鉛酸化學電池更高(3倍)的能量密度，尺寸、重量等方面降低。48V鋰離子電池的充電性能更佳，能夠更有效率地存儲汽車制動回收能量，為汽車中所需越來越多的電子負載(如前排座椅加熱、可加熱式擋風玻璃、后避震器)提供更多功率。
448V鋰離子電池系統的應用現狀
48V系統的關鍵之一是鋰離子電池技術，鋰離子電池相比於鉛酸電池和鎳氫電池具有較高的能量密度和較好的充放電性能。鋰離子電池單體電壓高達 3.7V，為了達到電動汽車使用的電壓要求，就需要將單體電池進行串並聯組成電池組，以滿足電動汽車使用時需要的高能量高功率條件。一般情況下，汽車電源系統會將電池組看作單個電池，在汽車行駛啟停的過程中，整個電池組進行著頻繁的充電和放電過程。電池組是由單體組成的，在出廠前並不能保證電池單體絕對的一致性，如果電池組中的一個電池經過多個充電/放電周期后，其充電狀態不能周期性地與其它電池平衡，最終會進入深度放電狀態，從而導致損壞，並最終形成電池組故障，因此我們就需要電池檢測系統(BMS： Battery Management System)來監視測量電池組和單個電池的整體情況，包括電壓、電流、荷電狀態等，以及時更換單體電池以延長電池組的續航能力和使用壽命。
此次日立新開發的48V鋰離子電池組是將BMS基板、電池單體、繼電器、保險絲組裝載於同一箱體內，可組裝性強、可靠性高，這種電池組能夠在車輛加速、減速，以及制動時能量再生供應等各種情況下，支持混合動力車型發動機和電機的高效運轉。
目前市場上的48V鋰離子電池組一般由12~13個單體電池組成，多用於小型純電動車領域如電動腳踏車、電動機車、電動三輪車等，還有電動工具等方面;主要的車用鋰離子動力電池生產廠商有中航鋰電，中信國安盟固利和萬向集團等。
在混動汽車領域，48V鋰離子電池組系統主要應用在微混或弱混動力系統，處於研發和限量生產水平。在開發更加節能的汽車產品的要求下，車企巨頭正在紛紛開發採用48V自動啟停系統的汽車產品。全球領先行業研究機構IHS發布報告稱，到2025年，48V輕度混動車將佔到全部混動車的一半以上，95%的輕度混動車將採用48V方案。
此次日立開發的48V鋰離子電池組可以應用到中度混合電動車上，具有更高的輸入功率和輸出功率，而且電池單體在耐低溫方面性能卓越，輸出密度是以往日立電池單體的1.5倍，兼備良好的降低油耗效果和較高的性價比，為中混汽車在和歐洲的普及起到了推動作用。
在過去的每一年，汽車產業都會帶來更新、更複雜的高端技術。也就是在這些技術的推動下，加上史無前例的嚴排放法規，給汽車的電源帶來了更高的需求。正是在這些因素的影響下，48V電子系統在汽車領域正如野火一樣在全球蔓延。有專家預測，到2025年，有五分之一出售的汽車會搭載48V電子系統，這將會構建一個新的宏偉藍圖。但是我們得承認，48系統並不是什麼新技術。
在和德爾福和大陸兩家主要汽車供應商的相關負責人進行了深入交談之後，我對48V系統怎麼工作和為什麼這麼流行有了深入的了解。主要有兩個原因：第一個，也是最重要的，那就是滿足政府規定的嚴格排放標準；第二，就是讓汽車擁有更強勁的動力。
提升電力負荷
德爾福的48V電動增壓器「E-charger」
在過去的十幾年，汽車製造商已經用越來越多的高科技、高效率的新技術取代傳統的機械配件。如：電動助力助向、電動制動真空泵和電動水泵。緊接著，汽車製造商更是將信息娛樂系統、自適應巡航控制、車道偏離警示系統和盲點監測等一系列新技術引入了汽車。加上傳統的座椅加熱、加熱方向盤和加熱擋風玻璃。
在這種環境下，標準的12V電子系統變得越來越捉襟見肘。於是48V系統便逐漸被提上了日程，幫助滿足日益增長的汽車需求。在豪華車上面，這種趨勢越來越明顯。
例如Bentley Bentayga，就用了一個48V的電池去驅動電動防傾桿系統，以達到更好的操控。而奧迪也同樣用了同樣的電池包去為電動增壓器供電。
德爾福的工程副總Mary Gustanski表示，後者的這個技術對於提高汽車的加速能力有很大的幫助。該公司的「E-charger」被應用在本田的新思域上面，讓汽車在很低的引擎轉速的時候在汽車的啟停方面了了很大的提升。
48V系統是怎樣工作的？
在談48V系統之前，我們要先了解一下其概念。
所謂48V系統，是指幾家德國整車和零部件製造商共同倡導的一種低成本節油技術方案。該系統是一種低混合動力系統，也可以把它看成是起停系統的升級版。該系統電壓為48V，用能量小於一度電的功率型鋰離子電池代替傳統的鉛酸電池，用BSG電機代替傳統的啟動電機和發電機。它不但具有怠速啟停功能，還具有發動機停機滑行、滑行與制動能量回收、加速助力和電巡航功能。更重要的是，其腳踏車成本不會超過5000元人民幣。
儘管現在大家都在談48V系統，但現在基本上我們汽車上的燈光、發動機配件、車載娛樂信息系統等都是使用的12V系統。
但不同於上世紀90年代業界想用42V系統完全取代的做法，這次48V系統知識想作為12V的重要補充，探討一種混合的解決方案。換句話說，新型的電動機和48V電池是被添加到傳統的內燃機和12V電池上，作為一個強力補充。這和你現在在GM BAS Hybrid、Buick LaCrosse 和Saturn Aura看到的系統比較相似。
與古老的GM電力總成一樣，很多新的雙電壓混合動力設計（和Renault Scenic的48V系統一樣） 包含了三個主要部件：MGU（Motor Generator Unit）、DC/DC轉換器和一個高電壓電池。這裡，MGU可以替代前端輔機驅動的傳統交流發電機，DC/DC轉換器和電池的作用也日益重要。
也就是這樣，讓48V系統的實現變得相對便宜和簡易。「這可以在30%花費的情況下，達到50%到70%的收益」，Gustanski說。這個50%到70%的提升可以節約15%燃料，他繼續說。
大陸集團也認同這種觀點。他們表示，在他們的最初的NEDC環境測試中，同樣可以獲得13%的燃料節省，在真實的應用中，這個數據有可能達到21%。這是非常驚人的。
鋰離子電池和DC/DC轉換器
這是德爾福在今年CES現場展示的原型，包括了電池、DC/DC轉換器、保險絲和電池控制器，他們佔領的空間不大，在實際應用中，他們是隱藏起來的。
在德爾福和大陸的48V系統中用到的電池是鋰電池單元，電池的尺寸只有鞋盒那麼大（上圖的黑盒子），這個低於1Kwh的電池包將能源傳輸到一個12V的鉛酸電池，當然，這是要藉助一個DCDC轉換器才能實現的（上圖帶風扇的銀色盒子）。這是為了將電壓降低，滿足車上12V設備的供電需求。
為什麼需要48V的大電池？Gustanski表示歸根到底是效率和成本的問題。
一個48V的電池能夠支持的汽車配件是12V電池的四倍，這就意味可以用這個電池可以同時給更多的設備供電。例如風扇、電動助力轉架、泵和壓縮機。這樣的話，就可以使得產品更有效率。除此之外，這對電子線束尺寸和重量也了很大的改善。
Gustanski也承認，更高的電壓，帶來的影響力也更大。
聯邦標準規定下，在汽車電子系統中，如果電壓高於60V（官方規定的高壓），會帶來個更高標準的屏蔽、線管和連接器的需求，勢必也會帶來更大的成本。將電壓保持在這個電壓以下，意味著這個輕度混合動力系統的成本能夠停留在800到1200美金之間。
也正如Gustanski所說，根據「拇指法則」，汽車製造商在MPG獲得的燃油節省技術上面投入的成本有個期望，那就是每提高一個百分點可以支付的成本為50到100美金。這個輕度混合動力成本正是滿足需求的產品。
電動發電機組
和交流發電機一樣，電動發電機組通過一個皮帶連接到引擎的曲軸。這個48V的單元通常是液冷的，因此會有一個特別的拉緊器去適應曲軸會被MGU應用的事實。
在第一個例子，大概10kW的單元就像一個電機，藉助一個逆變器，它就能夠從48V的鋰電池獲得電流，這樣就能驅動電機。電機通過傳送皮帶將動力傳送給汽油或者柴油引擎，將其「點燃」。這個應用在啟停的時候，也能快速「點燃」引擎（12V系統需要冷啟動），這樣做的就能將扭矩提高100左右，進而改善加速性能（尤其是在啟停的時候）。傳送經過計算的轉矩脈衝到引擎，還能降低啟停時候的震動，或者降低引擎負載，降低燃油消耗。
這個單元不但充當電機，將轉矩傳送給曲軸，也正如名字所說的一樣，它還是一個發電機。在接收到轉矩之後，它又會給48V的電池組充電。這個不但在引擎工作的時候能通過皮帶帶動（像傳統的交流電機）充電。在引擎關閉之後，滑行和剎車的時候，同樣能夠充電。
這意味著內燃機可以切斷燃油供應，同時，車輪可以通過一個鎖定的轉矩變換器帶動內燃機轉動。發動機曲軸的傳送帶然後帶動單元，這樣同樣為48V電池供電。
因此，這個單元不但可以在啟停的時候無縫啟動汽車，還能執行交流發電機的充電。更能通過利用曲軸上的轉矩降低發動機的負載。當然，這個也允許再生制動器。
不同級別的輕度混合系統
德爾福的Mary Gustanski告訴我，他們需要聚焦在MGU驅動的輕度混合系統（這種統稱P0輕度混合系統），但是這些低成本的系統對於EV來說是一個捷徑，因此他們的下一步目標就是P2系統。
所謂的P2系統和賓士的「Mercedes』 inline starter generator」系統一樣，相對而言是比較貴的。同時其應用也會給汽車的內部設計帶來新的變化（如現在的電動發電機單元是處於引擎和傳送帶之間），也會對離合器等配件造成影響。P2的目標是允許電機直接給車輪提供動能，而不需要藉助引擎。這樣就可以大大提高效率。
上面圖片展示的大陸P2系統就有一個動力傳動系統處在引擎與變速系統之間。且通過兩個離合器分開兩個配件。MGU則被放置到另一邊，通過皮帶提供轉矩。
為了只通過電給車提供動能，而不是通過帶動一個不運行的引擎，引擎端的離合器需要打開。電機通過皮帶和動力傳動滑輪系統帶動變速器輸入軸。
在一個大熱天應用啟停的時候，兩個離合器都會打開，這樣的話單元可以將動能傳送給空調壓縮機，而不需要通過藉助移動汽車或者轉動引擎。
為P2製造空間是一個重要的任務，我們會發現這個比P0系統更好的系統的元件很快會以不同的方式裝進全球的汽車裡。這種純粹用電驅動的方式還可以在引擎停止的時候，運行空調，這樣不但會帶來更好的節油率，還可以帶來更舒服的體驗。
一切都是為了更高的效率
傳統用皮帶驅動的空調壓縮機
大陸和德爾福的相關人員告訴我，48V系統變得越來越流行了，而主要可以歸功於以下這個因素：那就是滿足燃油經濟和二氧化碳排放標準。尤其在歐洲和，這兩個點的受關注程度尤其高。到2020年，前者每公里的行駛帶來的二氧化碳排放為95克，而後者到2021年每公裡帶來的二氧化碳排飯也會達到117克。而美國本身的MPG需求顯示，到2025年，每公里行駛的帶來的二氧化碳排放為101克，
48V系統取代12代系統帶來的不僅是成本的節約，還是減排的需求，同時泵和風扇在高壓的時候，帶來的效率提升也是非常明顯的。更重要的是，48V的系統能夠提供更多的電能，滿足不斷增加的各種汽車功能的需求，同時還能解放一些以往智能由引擎驅動的設備。
例如傳統的水泵和空調，就是最明顯的改變。
例如在一個寒冬里，你開的車正在用4000的轉速爬山。在傳統的汽車裡，由引擎帶動的水泵會把很多冷卻液傳送給引擎。但實際上因為外界環境也很低，所以壓根就不需要冷卻液來幫引擎降溫。因此如果我們使用的是電水泵，這個問題就有可能避免。
Gustanski舉了另一個例子。汽車在高速上高速定速巡航的時候，如果能用電驅動空調的話，就不需要像傳統汽車的做法，在如此高的發動機轉速下導致空調壓縮機的高速度。換句話說，這套新系統的出現，能夠讓汽車的某些配件能夠按需運行。
Gustanski甚至提到，利用一個48V給柴油車迅速加熱催化劑，減少排放。
毫無疑問，48V汽車系統將會成為主流。IHS的報告甚至顯示，到2025年，48V的系統的市場容量會提高九倍，屆時大概有1400萬輛汽車引入了這個系統。
這對德爾福和大陸這樣的供應商來說，是一件很好的事情。對消費者來說，這同樣也是一個好事。這不但帶來了更好的燃油經濟，也帶來了更多更好的電子體驗。同時還提升了性能。當然成本的減少，這樣才是更直接的優勢。
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