为什么欧洲人在推48V,而美国人却推出的是90V?节能减排的必然选择?

为什么欧洲人在推48V,而美国人却推出的是90V?节能减排的必然选择?_58汽车

欧洲和美国汽车制造商在车载系统电压选择上的差异,主要源于对节能减排的不同技术路线。欧洲普遍采用48V系统,因为它在满足当前法规要求的同时,提供了成本效益和安全性的最佳平衡。48V系统通过电气化发动机附件和启停技术,有效降低了能耗和排放,同时避免了超过60V所需的额外安全措施和成本。而美国通用汽车推出的90V系统,则是为了支持更高功率的电气化部件,如集成的电机-发电机单元,这不仅提升了能量回收和启停效率,还为未来技术发展预留了空间。尽管90V系统在短期内可能面临更高的成本和市场接受度挑战,但它展现了通用汽车对未来汽车电气化的长远规划和雄心。两种系统的选择反映了不同地区在技术发展、法规要求和市场策略上的考量,但共同目标都是为了实现更环保、更高效的汽车技术。

要回答好这个问题,我们需要先搞清楚另一个问题:

车载系统用得好好的12V,为什么要搞个48V出来?

四个字:节能减排

发动机技术,或者说内燃机技术发展到今天,面临着两难的境地:一方面,各国法规对油耗、排放的要求日益严格;另一方面,内燃机技术在节能减排的方面的潜力已十分有限。

既然不能“既要马儿(发动机)跑得快,又要马儿少吃草”,工程师们就开始从“骑马”上想办法,比如给马儿“减负”,让马儿“偷懒”。

减负,顾名思义,就是把不必要的货物从马背上拿下来,减少马儿的负担。具体做法是把空调压缩机、水泵、转向助力泵等附件由发动机直接驱动改为电力驱动,也就是发动机附件的电气化。

偷懒,就是不要一直快马加鞭,在合适的时候,比如等红灯、下坡、刹车的时候,得让马儿休息,这就是启停技术、滑行停机和制动能量回收。

为何要提高车载系统电压?

现在12V启停、制动能量回收等系统已经成了很多车的标配,它们带来了一定的节能效果。然而,法规标准总是“更高、更快、更强”,见下图:

上图摘自为什么48V轻度混合动力比24V更省油?中@BrandonLu的回答

当为了更严格的油耗目标而继续挖掘启停、制动能量回收系统的潜力或者电气化空调压缩机等附件时,12V系统就捉襟见肘了,为什么呢?

让我们用这两个初中就学过的公式简单说明:

P=UI

Q=I^{2}Rt

发动机附件的电气化和启停等技术的引入,使得电气系统的总功率P大大增加了,而功率与电压、电流成正比,想要获得更大的功率,在系统电压采用12V不变的情况下,只能通过提高设计电流来实现;这就对线路的承载能力提出了新的考验,因为热量Q与电流I的平方、电阻R和时间t成正比,电流增加会导致系统的发热剧增,这部分热量是实打实的电能损耗。如果为减小电阻而增加线径又会增加成本且让车增重。在这条路走不通的情况下,提高电压就成为了必然的选择。

而且我们可以得出这样的结论,更高的系统电压使得功率容量更大,发动机附件的电气化潜力更大,也就有更大的节能减排的潜力。

为什么是48V?

按照我们刚才的讨论,更高的电压可以帮助实现更高的功率,降低线路损耗,改善起停时电机、空调压缩机、水泵等系统的工作,同时还能以更高功率进行制动能量回收,实现更好的节能减排效果,因而电压其实是越高越好的。

但根据法规ECE-R100,高于60V的直流电需要特殊的安全防护措施,比如需要使用橙色的高压线缆,这就会带来额外的成本。而48V系统刚好工作在不受限制操作的区间,且与60V之间留出了足够的安全边界,同时,眼下带来的节油效果又能令人满意,因而48V就成了考虑效果、成本、法规之后的折衷之选。

上图摘自LV148

48V有哪些实车的应用?

目前大体有两种路线,第一,全车电气架构都采用48V;第二,依然保留12V系统,但在关键部件,比如启停/能量回收/压缩机等上面采用48V,相比于全部采用48V架构,这种策略不需要重新开发全车的电器系统,减低了研发成本,目前供应商也能提供成熟的方案,这也是目前的主流策略,代表玩家比如德系三强中的两强,奔驰和奥迪。

由于供应商不同和产品定义不同,奔驰和奥迪的48V实际应用也略有差异,分解来看如下:

奔驰48V:主要应用于小排量涡轮车,48V电力系统核心功能是驱动电动涡轮,提高升功率,主要应用在M264四缸2.0T上,标准配置是电动涡轮和废气涡轮相辅相成;少数车型上会完全取消废气涡轮,只依靠电涡轮。

代表车型:奔驰新E级(48V搭配L4/L6发动机)

奥迪48V:主要配合大排量涡轮车(3.0TV6),应用车型是SQ7和新一代A8,SQ7三涡轮布局(两个废气涡轮和一个电动涡轮),电动涡轮作用也是辅助废气涡轮,主要用于补足低速涡轮迟滞时的动力响应。48V系统还要驱动启停电机和主动悬挂系统。

代表车型:奥迪SQ7车型(48V搭配V8发动机)和奥迪A8车型(48V搭配V6发动机)

(隐约觉得,电涡轮在奔驰和奥迪上一出,淘宝上那些电涡轮卖家又多了个忽悠人的说辞)

那么,既然已经有了48V了,通用为什么又要搞个90V出来?

刚才我们已经讨论过,更高的系统电压能提供更高的功率容量,12V系统所支持的总功率一般在3-4kW,48V系统为15kW左右,90V系统则为25kW左右,这就为更多部件的电气化以及电机的功率提升提供了支持,从而为集成更多节能减排的技术提供了可能。

在通用XT528E上应用的90V系统中,使用了集成度很高的MGU(MotorGeneratorUnit),它兼具了启动机、发电机甚至驱动电机的功能,不仅可以控制发动机启停、能量回收,还具备单独驱动车辆起步的能力。而这要归功于更高的系统电压,使得更高功率的电机的使用成为了可能,从而也为下列功能的实现提供了支持:

下面这张图很好地解释了系统各个功能与工况的对应关系:

通用的90V系统相比48V系统的优势

不过,通用90V系统的使用也会带来其他一些考虑。

综合来说,无论48V还是90V,都是车企为进一步降低油耗、排放,满足法规要求而选择的技术路线。

短期看,48V讨巧,是一个综合了成本、收益、可行性的折衷之举,所以各个厂家一拥而上;长期来看,90V系统给未来的产品建立了架构、留出了容量来实现更有野心的目标,因而有更大的潜力。

选择了90V的通用略显孤独,但我觉得通用的目光并不止于眼下的产品和法规要求。想起《有嘻哈》里GAI爷那句“一往无前虎山行”,至于能不能“拨开云雾见光明”,让我们拭目以待。

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