
48V/90V混动技术是中混解决方案,区别于强混与轻混。48V系统成本较低、通用性强且节能减排,适合欧洲市场。而90V系统则在美国因电压标准而受青睐,提供更强动力与效率。两者均通过BSG或ISG电机实现辅助驱动、能量回收等功能,提升车辆性能与燃油经济性。
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48V混合动力又被称作MidHybrid(中混),主要区别于丰田HEV混动、大众的PHEV这类称为强混(FullHybrid/StrongHybrid)的混合动力技术,以及像SSR这种仅需12V电压就可以带动的轻混/弱混(Micro/MildHybrid)技术。
为何选择48V轻混?
功率=电压×电流,中混通常需要10KW~20KW功率,使用12V电压的话,蓄电池的输出电流需要高达1000A。按照欧盟规定的安全电压为60V,超过这一电压值则需要在电路中添加额外的绝缘装置,48V系统的充电电压最高为56V,已经非常接近60V的上限。最终综合成本和效果来权衡,欧系普遍选择使用48V作为轻混的电压标准。
如前期文章所说,48V轻混系统的电动机比强混系统的电动机功率小很多,其不足以让汽车在纯电状态下加速,仍需搭配发动机同时使用。
48V轻混系统架构
48V轻混可以看成是普通12V带SSR功能车辆的升级版,在整车原有整备基础上增加了48V储能电池、48V/12V双向DC/DC变换器、48VBSG/ISG轻混系统、BMS电池管理系统等。
需要说明的是48V混动系统并不是完全将车辆内部电压提高到48V,而是采用12V+48V的方式,一方面保持原有12V电气系统的性价比,另一方面也降低整体技术难度,只针对在12V系统上较大负载用电器换用48V来驱动,比如空调PTC加热和EKK压缩机。
48V轻混系统工作模式:
自动启停:车辆怠速状态,发动机处于关闭状态,48V大容量电池维持车载电气正常运行,发动机可以随时快速启动。
能量回收:制动或滑行时,电机反转作为发电机将动能转化为电能,并存储到48V锂电子电池。
加速辅助:48V电机在提速阶段可以提供辅助动力,弥补发动机动力的不足以实现不损失动力的情况下降低排放。
48V轻混系统优势
性价比高:目前国际上通常认为60V以下的直流电压和25V以下的交流电压属于安全电压。即使算上由于SOC较高时的电压波动,48V混合动力系统的电压峰值也不会超过58V,所以不需要采取额外的电压防护措施(许多国家规定电压超过60V需安装防护措施),相对强混(FullHybrid/StrongHybrid)成本更低。
通用性强:48V系统可兼容更多不同的用电设备,比如功能越来越丰富、尺寸越来越大的中控屏幕和愈发复杂的汽车中控系统。48V可以提供更大容量的蓄电池,可以带动原本传统内燃机汽车上必须依靠发动机来带动的空调压缩机、冷却水泵等设备,有效降低发动机的负荷,也可以在发动机关闭的情况下使用这些大功率设备。
节能减排:由于BSG技术和ISG技术的帮助,48V混合动力系统可以进一步缩小发动机的体积,进而降低排放。同时利用电动涡轮来替代机械涡轮,还能进一步提高发动机的效率。48V混合动力系统可以实现滑行启停、动能回收、辅助加速等功能,有效避免了燃油的不必要消耗。相比于广义混合动力汽车,48V混合动力系统仅需要30%的成本,可以达到70%左右的效果。
欧洲选择48VVS美国选择90V
欧洲法规规定60V以上才是高压,所以48V可以认为是低压系统,不需要做高压保护,从而省去很多成本,因此欧洲车企大都选择48V。而美国通用的标准规定36V以上就是高压,需要加装防护措施,因此对于美系品牌,48V和90V的成本不存在太大差异,美系车自然选择效果更显著的90V轻混。
90V系统由于电压和功率更高(可达10KW),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。以凯迪拉克XT5轻混动为例,得益于90V混动系统,XT5在起步阶段加速度能够提升15%,百公里加速8.2s。此外与9AT自动变速箱配合下,百公里油耗大致在7.9L,燃油效率提高10%。
凯迪拉克XT5的轻混系统工作原理:
发动机停止运行时,9AT专门开发了相应的蓄压器系统,包含活塞和弹簧,其主要功能为在发动机进入Start-Stop的停机状态时,储存高压油,保持变速箱的工作油压。
发动机重新启动时,蓄压器可以迅速释放储存的高压油,使变速箱立即进入工作状态,缩短Start-Stop重启时间,给客户更平顺的发动机启停体验。
发动机起动的时候,作为传统发动机天然属性,扭矩相应较慢,特别是小扭矩的时候输出扭矩平顺性不够优秀,90V系统能够在这个区域协助发动机进行输出扭矩调节和平顺。90V电气化系统,能够采用高于48V更高的电压,更大的扭矩和功率能力来配合变速器、发动机工作。
起步阶段,90V电气化系统根据整车需求,提供额外的纯电驱动能力,使车辆拥有更高的起步扭矩和响应速度。
部分加速阶段,90V电气化系统与9AT联合工作,提供助力。
匀速行驶阶段,调整发动机工作在高效区域,实时通过90V电气化系统为电池充电。
制动或者滑行的时候,通过90V电气化系统进行反拖发电或者辅助维持扭矩,让发动机避免低效区。
BSG电机(Belt-drivenStarter/Generator)皮带传动启动/发电一体化电机
BSG混合动力汽车动力系统结构,在发动机前端用BSG电机与发动机连接,取代了发动机原有的发电机,从而实现了混合动力系统一体化。该混合动力系统保留了传统轿车上的12V启动电动机,以保证电池电量过低时发动机能正常起动。
BSG电机基本工作模式:
起动工况,BSG电机在短时间内将发动机加速至怠速转速以上,然后汽油机才开始工作;
正常行驶工况,发动机正常工作;
怠速工况,控制系统自动化切断汽油机供油,发动机处于关闭装态;
减速工况,驾驶员踩下制动踏板,向起动、发电机传送信号,使其将车辆的功能转化为电能并储存起来。
如上所述,BSG电机一方面作为电动机快速拖动发动机达到怠速及以上转速,另一方面作为发电机给蓄电池充电。由于结构复杂程度相对不高(BSG技术相对于传统发动机技术只是增加了一个BSG控制器,另外蓄电池比传统的要强大一些),成本仅增加5%左右,却可以实现约10%的节能效果,这使得BSG技术正逐渐成为一种趋势。
ISG电机(IntegratedStarter/Generator)盘式传动启动/发电一体化电机
单轴并联中度混合式电机,其采用发动机和电机扭矩叠加方式进行动力混合,发动机与电机和变速器相并联,在传统离合器和发动机之间加一个ISG电机。
ISG电机基本工作模式:
起动时,ISG作为电动机状态在短时间内(通常为0.1s~0.2s)将内燃机加速至怠速转速,然后内燃机开始缸内燃烧过程,随后离合器结合,开始行驶循环;
汽车巡航或以较低速度行驶时,如果此时蓄电池的荷电状态值SOC低于其限定最大值SOC时,ISG转换至发电机状态,向电池组充电。但若此时蓄电池SOC等于或大于其限定值时,为了延长蓄电池的使用寿命,ISG不能向蓄电池充电;
当汽车加速或爬坡时,ISG工作在电动机工况,提供一部分辅助扭矩;
当汽车处于怠速空载状态时,内燃机停止运行,同时ISG也停止工作;需起步时,ISG作为电动机在短时间内完成起步任务;
当汽车减速或制动时,ISG处于反向充电工况。
BSG与ISG的区别
BSG混合动力系统是在发动机前端用皮带传递机构将一体化启动/发电机与发动机相连接,取代了发动机原有的发电机,从而实现了混合动力系统的一体化。该混合动力系统一般保留了传统汽车上的启动电机,以保证环境温度过低时发动机能正常启动。
BSG混合动力系统能实现怠速停机(发动机)、车辆启动时快速拖动发动机到怠速转速、制动回收能量的作用。由于没有配备耦合装置,故无法为车辆加速提供辅助功率。
ISG混合动力系统将一体化启动/发电机与发动机的转子与发动机曲轴的输出端连接在一起,同时取消了原有的飞轮。根据实际情况,ISG混合动力系统可在发动机与变速箱之间配备1-2个离合器。这种连接方式相比BSG混合动力系统而言,更为灵活,其功能也在BSG混合动力系统的基础上有所增加。
根据其具体的结构和布置方式,ISG又可分为三种:
电机布置在发动机后离合器前的单离合器结构方式,这种结构中的电机主要起助力、发电和启动发动机用,电机一般不能单驱动车辆运行;
电机布置在离合器后变速箱前的单离合器结构方式,这种结构方式中电机可单独驱动车辆,也能助力发电,但不能启动发动机;
电机布置在发动机和变速箱之间的双离合器结构,这种结构既可单独驱动车辆,也可启动发动机或独立对电池进行驻车发电。
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