新能源技术在汽车工程中的应用

高伟健　刘金昌

摘 要：随着汽车行业的迅速发展，汽车中应用的电子元器件随之增加，这样就造成了汽车在电能上的需求不断增加，这使得汽车的油耗不断的增加，但传统的车载12V已近达到了极限，无法继续满足汽车在电能需求上不断增加，本文介绍了汽车新能源技术的48V混动系统，这套系统能够满足现阶段汽车用电量的增加，最关键的是这套48V混动系统能够降低油耗，减少排放和达到节能的目标。

关键词：48v混动系统 降低油耗 节能减排

Application of New Energy Technology in Automobile Engineering

Gao Weijian，Liu JinChang

Abstract：With the rapid development of the automobile industry， the electronic components used in the automobile are increasing， which causes the increasing demand for electric energy， making the fuel consumption of the car increase continuously. But the traditional vehicle 12V has reached the limit and cannot continue to meet the demand for electric energy. In the thesis， the 48V mixing system of the new automobile energy technology is introduced. This system can satisfy the increase of electric power consumption at the present stage. The most important thing is that the 48V mixing system can reduce the fuel consumption and the emission， and achieve the goal of energy saving.

Key words：48V mixing system， oil consumption reduction， energy saving and emission reduction

1 引言

近年来，中国汽车行业的迅速发展，我国的汽车保有量不断提升。2013年，我国车用燃油消耗占汽柴油总消耗的75.5%，而石油对外依存度更是高达60%。面对石油能源的日益紧张和对于碳排放的要求越来越严格。

此前，国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》中明确表述：到2015年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至6.9升/百公里，到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/百公里。而工信部公布2016年中国乘用车平均油耗6.43升/百公里。为了实现第四阶段的油耗标准，48V轻混动系统成为了各家汽车企业必争的新技术。

目前作为理想的新能源电动汽车来说，还存在很多技术难题待解决，所以各家汽车公司在面对能源危机、政策鼓励和处罚措施的综合因素影响下，汽车行业的节能降耗势在必行，也刻不容缓，各个汽车企业在应用增压进气、缸内直喷等技术完成了第一、二阶段的油耗标准，为了完成第四阶段的油耗标准，48V混动系统为最优的解决方案。

2 48V混动系统

2.1 48V系统简介

其实，48V混动系统并不是一项最近才兴起的黑科技，早在2011年，奔驰、宝马、大众、奥迪以及保時捷这5家车企联合发布了相对应的48V系统规范LV148。但因为当时技术不成熟，造成节油效果不明显等缺点，而没有被广泛推广，随着技术的发展和各个汽车厂商和零部件厂商的合作研发，48V混动系统得到完善并且成功应用在一些车型中。其中最具代表性的为奔驰旗下的S-class车型和奥迪A8及A6等车型中。目前很多国内厂商已经涉猎这一领域，比如奇瑞、比亚迪、吉利和长安等。特别是吉利的博瑞GE动力就用到了48V混动系统动力，即MHEV。

48V混动系统的核心部件主要为48V的启动发电一体机、用于储存回收能量的1度左右的48V锂电池组、用于48V与12V电压之间转化的电压控制器（DCDC）。48V混动系统并不代表整车电路均为48V，而是采用加法原则12V+48V的做法。48V的核心技术在于：相比传统12V，由于电池电压输出的升高，降低了线路损耗，同时电压的升高也可以有效改善起停电机、空调压缩机、冷却水泵等系统的工作时间，让发动机在停车状态最大限度不参与工作;其次是48V的电压更能满足锂电池快速实现能量回收的要求，而回收的能量可用于辅助驱动等，降低发动机负载，从而实现了降油耗和排放的作用。

2.2 48V系统形式

目前出现的48V混动系统主要有两种形式： ISG（Intergrated Starter Generator）和BSG（Belt-alternoter Starter Generator）。这两种本质上没有核心区别主要在于启动发电一体机的具体安装位置。ISG（Intergrated Starter Generator）位于发动机及变速箱之间，大部分安装在飞轮上面，该电子机械设备兼具启动器与交流发电机两大功能。BSG（Belt-alternoter Starter Generator）位于发动机的前端与前端的皮带进行相互连接，作用和ISG一样。

2.3 48V系统的功能及组件

以下介绍以奔驰最新的ISG为主：

（1）推进功能：在短时间内，发电机对内燃发动机提供的最大扭矩及输出功率将分别达到250 N·m和16 kW。

（2）电量恢复（Recuperation）：当减速时，将动能（kinetic energy）转化为电能，并为电池充电。

（3）滑行模式（Gliding mode）：当行驶状况及电池充电量等条件允许时，总成中的内燃机将开始减速直至关断，使车辆能够自由地进行惯性滑行（coast）。

（4）发动机启停：当发动机转速较快时，可实现车辆的启动。例如：在经过滑行阶段后，可立即启动发动机并加速至适合当前行驶状态的车速，该进程需借助启动发动机（starter generator）来实现。在自动停止模式下，曲柄轴将进入最佳位置，以便再次平稳地重启内燃发动机。

（5）启停系统2.0：当车辆即将停下来时，尽管发动机已关断，但车辆仍在移动，从而达到省油的目的。但该操作应视具体情况而定，需要视最新的驾驶情况、雷达传感器传输的信息及其他车辆数据而定，避免车辆在2秒内骤停（short stop）。车辆的骤停不仅无法实现省油的目的，还会提升车辆的油耗。

（6）车辆骤停通常发生以下几种情境中：发动后遭遇交通灯变灯、停车、在拥堵的道路上行驶。当驾驶松开刹车时，车辆会向前开，发动机的启动将受抑制。该情况下，发动机不运行，适用于拥堵路段的车辆行驶，且不会产生油耗。不仅如此，驾驶员还能如常地对车辆行驶进行全方位的掌控：只有当驾驶员踩下油门后，发动机才会启动。

（7）负载点（load point）的变化：可调节启动发电机的电动扭力器（electric torque），使内燃发动机运行时的负载点达到能效最大值。

应用48V系统导致发动机前端带动的组件也都发生了变化。

电动水泵：当水泵输出值翻番时（从400瓦增至近950瓦），制冷效果将随之提升，进而提升发动机的功率密度（engine power density），还可根据不同情况实现泵驱动（actuation of the pump），这与发动机转速不相关。

电辅助压缩机（Electric auxiliary compressor）：当需要额外动力时，该部件可确保对进气（intake air）的瞬时压缩（instant compression），涡轮增压器随即作出响应。采用该方式后，将彻底消除涡轮迟滞现象（Turbo-lag）。

发动机怠速控制（Idling rpm control）：为提升能效及舒适度，可借助点电机实现内燃发动机的怠速控制。为此，电机将充当发电机，调节充电电流，吸收内燃发动机的机械振动（mechanical vibrations）幅度，可通过精确调节将发动机怠速保持在520 rpm，实现节能效果。

空调系统内的电制冷压缩机：气候控制功能将不再依赖于发动机转速。

为了实现以上组件的电气化并将发电机整合到动力总成后，在设计時即可去除发动机前端的皮带传统带传动，不仅仅很缩短发动机尺寸还能降低噪声，提升发动机的可靠性。但要想实现以上的规划，所有的发动机重新开发设计，成本高，节油效果比BSG好，但对于BSG不用重新规划设计发动机，只需要将其安装在发动机前端即可，成本低。

3 48V混动系统优缺点

纯电动化是汽车的终极目标，但由于续航问题，充电问题以及高昂的电池成本等问题还无法再短时间进行普及。相对来言48V混动系统相对于重混合系统在价格存在巨大的优势。

优点：

（1）降低碳氧化合物的排放，提升燃油效率，适应国家政策;

（2）低于60V安全电压，不需要采取额外的电压防护，相对高压混动系统，成本更低;

（3）48V Belt Starter Generator （BSG）容易替代原有的12V Belt Starter Generator，无需大幅更改设计即可配套。且与高压系统相比，降低匹配难度，同时也降低了成本和重量;

（4）可以将传统发动机上的高负载附件电动化，比如空调压缩机、冷却水泵、真空泵等，降低发动机的负载，即使在发动机关闭的情况下，这些设备也能工作;可以支持更大功率的车载设备;

（5）将车载电器工作电压提升到48V，可以进一步降低损耗，同时可以降低线束外径;BSG/ISG点火时间更短，更低噪音和更小震动。

缺点：

（1）电压的升高，电磁兼容要求会更高。

（2）48V电压下会存在电弧，是风险隐患，需要处理。

（3）原来的12V车载设备迁移到48V需要重新开发以及测试，代价巨大并且周期长。

（4）比12V start-stop系统成本高，节能效果不如高压混动系统。

4 结语

2020年即将来临的第四阶段的油耗法规很可能将引爆48V混动系统。有数据表明，目前中国的大城市交通比较拥堵，采用48V系统后汽车节油效果可达10%-15%，对于降低油耗以及满足油耗法规会起到很大的作用。

特别是48V系统中的两位权威人士：一位是一汽副总工程师、工程院院士李骏，另一位是上海通用五菱汽车总经理沈阳。李骏认为48V系统是现阶段性能价格比最好的节油方案，而沈阳则更强调48V统的加速助力功能，对于小排量车辆极其重要。这两位一位是业界水平最高的研究者，一位是业界业绩最好的实干家，而意见又如此一致，不由得我不重视此方案。

参考文献：

[1]赵冬昶，王昊，禹如杰，任焕焕.48V汽车电气系统怠速启停技术应用趋势分析.汽车工业研究.2015.10.

[2]周夏威，朱昌吉，曲大为.基于ADVISOR的汽车48V动力系统仿真及特性分析[J].科学技术与工程.2014，14（27）;283-285，290.

[3]忻文.48V汽车电子电气系统构架的未来[J].汽车与配件，2014，（20）：28-30.