奔驰48V车载电气系统剖析（一）

阿 伟

梅赛德斯-奔驰汽车在乘员舒适性领域首屈一指。过去几年里，通过如快速座椅加热器、扶手加热、热石按摩和电热杯座功能进一步增强了舒适性，在业界的影响力是无与伦比的。 但是，舒适性功能越多，车辆对电能的需求也随之增加，数十年来使用的12V车载电气系统，现用于为轿车提供电能。对于带电传动功能的车辆，如混合电能车辆，电传动基于高压车载电气系统。48V车载电气系统则弥补了12V车载电气系统和高压车载电气系统之间的不足。48V车载电气系统的电压直接定位为最大 60V直流（DC）的接触保护法定限值。 48V车载电气系统无须高压车载电气系统的高安全性和个人保护措施。48V车载电气系统并未替代之前的12V车载电气系统，而是在其基础上进行了延伸。同时，其电压是12V车载电气系统的4 倍，从而在相同的电流强度下可获得 4 倍的输出功率。采用48V车载电网蓄电池（G1/3），车辆整体的可用电容量增加，因此车辆未行驶时，可以有更多的能量用于创新客户功能，例如在线服务。通过某些系统例如发动机静谧启动等进一步提高了驾乘舒适性，且通过附加措施减少了二氧化碳（CO2）排放。

图11 12V和48V车载电气系统

1.采用48V车载电气系统

数十年来，现代轿车的电能由12V车载电气系统提供,在高达15V的电压范围下进行工作。较高的额定电压导致在所需电源升高的情况下电流逐渐增大，缺点是供给线路的横截面厚且铅蓄电池重。正常情况下,12V车载电气系统几乎不向新型用户功能提供电量储备。在过去几年中，由于混合动力车辆的开发和引入，形成了所谓的高电压车载电气系统。高压提供用于驱动车辆的高电功率。由于采用了高于60V的直流电压，高压车载电气系统需要特殊的安全和防护措施。48V车载电气系统的电压直接定位为最大60V直流（DC）的接触保护的法定限值。因此高压车载电气系统可在不需要安全和保护措施的情况下使用该电压。通过采用锂离子蓄电池，48V车载电气系统在发动机运转时允许最大16kW的功率，在高压车载电气系统不需要额外保护措施的情况下大大扩展了电气设备的可应用性。48V车载电气系统并未替代之前的12V车载电气系统，而是在其基础上进行了延伸。其电压比12V车载电气系统高四倍，并在相同电流的情况下产生四倍于12V车载电气系统的可用电力。由于这个原因，12V车载电气系统实际上保持不变。仅由48V/12V直流/直流转换器供电，而非12V发电机。由于12V车载电气系统对故障安全性能的要求很严格，因此,继续采用12V蓄电池，尽管有时会比之前的电量小。直流/直流转换器向12V车载电气系统供电，因为采用了 48V 车载电气系统，无须改装12V用电设备。与未装配48V车载电气系统车辆中的12V用电设备没有差别。直流/直流转换器也可向另一方向传送能量，即从12V到48V，例如可通过用于12V蓄电池的充电器或来自供电车辆的充电器对 48V蓄电池进行再充电。处于静止阶段时，48V车载电气系统关闭。驾驶员一旦启用车辆中的点火开关，48V车载电气系统也随之启用。发动机通过集成式启动机发电机（ISA）或皮带驱动启动机发电机（BSA）启动。行程结束且发动机关闭后，某些功能仍需48V车载电气系统继续运行。这些后续事件完成后，关闭48V车载电气系统。之前的12V车载电气系统通过48V车载电气系统进行扩展，如图1所示。

图2 48V车载电气系统部件（车型222）

图3 48V车载电气系统部件（车型238）

2.装配256发动机的车型222中的48V车载电气系统简介

48V车载电气系统将首先应用在装配新型六缸火花点火式发动机的车型 222 的改款车型中。从开发此款发动机开始就已将48V车载电气系统考虑在内。因此，可以省去皮带驱动，因为之前通过皮带进行机械驱动的所有用电设备可借助于 48V车载电气系统进行驱动。12V发电机和12V启动机替换为集成式启动机发电机（ISA），其置于发动机和变速器之间。除了发电机功能，其也可使用来自 48V车载电网蓄电池的能量生成扭矩以辅助发动机。ISA 和48V车载电网蓄电池的高输出功率可让您几乎感知不到发动机启动,可使用以下功能：

◆电动辅助压缩机

◆48V冷却液泵

◆电动制冷剂压缩机

◆加热式挡风玻璃

在减少油耗的同时,发动机与48V车载电气系统的相互作用使车辆产生更好的响应性，发动机可实现高性能冷却，还会为乘客提供额外的舒适感，例如在发动机关闭时保持智能气候控制。

车型222中48V车载电气系统的部件概述，如图2所示。

3.装配264发动机的车型238中的48V车载电气系统简介

48V车载电气系统还应用于车型238中。新型四缸火花点火式发动机264将采用皮带驱动启动机发电机（BSA），而非12V发电机和启动机。除了发电机功能，其也可使用来自48V车载电网蓄电池的能量生成扭矩以辅助内燃机。在低发动机转速甚至减少发动机排量的情况下，传动系统通过额外的电磁扭矩也可以产生较大扭矩。同样，装配发动机264的情况下，发动机与48V车载电气系统的相互作用使车辆产生更好的响应性，使发动机启动更快更平顺并减少油耗。

48V车载电气系统还可向发动机264提供极高的功率密度，因为可使用输出功率约为 950W的48V的冷却液泵进行冷却。

车型238中48V车载电气系统的部件概述，如图3所示。

4.48V车载电气系统的进一步发展

对于未来的梅赛德斯-奔驰车型，48V车载电气系统将提供更高效的电能，从而成为减少梅赛德斯-奔驰车辆油耗的主要途径。同时用户也可使用新功能。

48V车载电气系统中的电压范围，如图4所示。

图4 电压范围

5.集成式启动机发电机（ISA）

与发动机256 配合使用的新型传动系统的亮点是采用了集成式启动机发电机（ISA）。其由带电力电子装置的电机，直流/直流转换器和锂离子48V车载电网蓄电池组成。电力电子装置位于锥形齿轮启动机（不再安装使用）的安装位置。

在P1布局中（如图5所示），集成式启动机发电机（ISA）用螺栓刚性连接到曲轴上，安装在发动机和9速自动变速器（9G-TRONIC）之间，通过与48V车载电气系统配合使用，集成式启动机发电机（ISA）产生最大16kW的输出功率和220N·m的扭矩。产生的能量供至单独的48V车载电网蓄电池。发动机和集成式启动机发电机（ISA）的配合使用提高系统性能的同时，降低了燃油消耗，此外，还新增了其他附加功能。集成式启动机发电机（ISA）还减少了传动系统的扭转震动，从而舒适性增强。

图5 P1布局

图6 P0布局

6.皮带驱动启动机发电机（BSA）

在新型四缸火花点火式发动机264 的某些供电类型中，启动机和12V发电机被皮带驱动启动机发电机（BSA）代替。

在P0布局中（如图6所示），皮带驱动启动机发电机（BSA）替代了皮带驱动装置中的发电机。除发电机功能外，皮带驱动启动机发电机（BSA）还会利用 48V 蓄电池的电能产生扭矩，从而为发动机提供支持。扭矩可能是正向也可能是反向，从而使发动机有效运转，并将多余的能量存储到蓄电池中。通过产生的正向额外扭矩，在发动机转速较低甚至排量很小时传动系统也能产生较大的扭矩。通过发动机和48V车载电气系统的配合使用实现了有效运转，从而降低油耗和二氧化碳（CO2）的排放量，同时明显改善了车辆的响应性。此外，发动机的启动速度和舒适性也明显提高。

图7 长时停车

图8 短时停车

7.发动机启动ISA和BSA

发动机启动由ISA或BSA执行。不同类型的启动（钥匙启动、启动/停止系统、滑行模式启动等）都不会产生震动，因此驾驶员几乎不会感知到启动情况。ISA 或 BSA 能使发动机快速进入怠速状态，或者，如果踩下加速踏板，能使发动机快速达到相应的目标转速。

ISA 还会使曲轴移至便于发动机机启动的有利位置（可多次舒适启动)。通过该定位，可在启动期间执行带动态控制的扭矩补偿，起初ISA便知道下次压缩的具体时间并可通过动态控制功能相应调节所需的扭矩。从而补偿压缩阶段由于发动机活动困难造成的转速波动。

8.启动/停止ISA和BSA。

启动/停止系统的功能范围已经扩展，以便提高车辆的运行效率。系统的设计在用户友好性方面得到大幅提升。现在车辆会对需要长时停车和短时停车做出辨别。通过使用ISA或BSA只能避免由于改变主意造成的传动系统震动。 处于发动机关闭滑行的超速运转模式时，变矩器在启动期间转变为加速模式的情况下会产生这些震动。ISA或 BSA 以特殊方式促动，以避免启动转速曲线产生任何震动。

（1）长时停车（如图7所示）

需要长时停车时，如果先前的平均车速较高且未执行转向操作，则在车速低于20km/h时发动机会关闭。相应地，雷达接口会对长时停车进行检测，如果检测到本车前方有其他车辆，则也会关闭发动机。

（2）短时停车（如图8所示）

通过避免短时停车和挪车时发动机停止，增强了系统的舒适性。如果先前的平均车速较低且执行了转向操作，则仅在再次踩下制动踏板时停止发动机。此外，如果雷达接口检测到前方车辆正在行驶，则在未踩下制动踏板时会阻止发动机停止。此时还会考虑标志（如停止信号）以及坡度和交叉路口情况,并通过实时交通信息将交通堵塞信息作为影响因素。

（待续）