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記得 20 世紀(jì) 90 年代，汽車業(yè)曾考慮用 42V 總線配電取代 12V 系統(tǒng)，因為復(fù)雜性和成本過高，搞了十幾年還是半途夭折了。今天，在全球環(huán)保壓力下，對 48V 總線配電的需求越來越明顯，但 48V 輕混能否成為未來汽車市場的標(biāo)準(zhǔn)呢？看看業(yè)界大咖如何評說。
未來汽車技術(shù)朝著電氣化方向發(fā)展已經(jīng)成為共識，不過走哪條技術(shù)路線仍是眾說紛紜，純電動（EV）、混合動力（HEV）、插電式混合動力（PHEV）、48V 輕度混合動力（MHEV）和重度混合動力（HEV），還有燃料電池等多種動力形式，誰最有可能脫穎而出，成為未來的主流呢？我們看到，48V 輕混動力汽車（也稱為電池輔助混合動力汽車）市場的主要參與者包括博世、大陸、德爾福、法雷奧、AVL List GmbH、日立汽車系統(tǒng)、舍弗勒、福特、通用、菲亞特、克萊斯勒、豐田汽車、日產(chǎn)、本田、奔馳、寶馬、奧迪、現(xiàn)代汽車、三菱汽車、馬自達、斯巴魯?shù)?。國?nèi)吉利、長安、北汽、江淮、長城等企業(yè)都有計劃生產(chǎn)配備 48V 系統(tǒng)的車型?？磥恚?8V 輕混還是有其誘人之處。
汽車功能增加亟需更大電力
當(dāng)前汽車的 12V 電氣系統(tǒng)可提供約 300 安培電流，峰值時約為 600 安培，勉強能為牽引電機和制動系統(tǒng)供電提供所需能量。而隨著最新汽車上所有新的耗電型電子驅(qū)動和功能的增加，如電動啟停、電動轉(zhuǎn)向、電動懸架、電動渦輪增壓、變速空調(diào)，以及音響系統(tǒng)、加熱座椅和可隨動轉(zhuǎn)向照亮黑暗彎道的前照燈，傳統(tǒng) 12V 配電總線已不堪重負，對更高電壓總線配電的需求越來越明顯。
12V 和 48V 電氣系統(tǒng)能力大相徑庭
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隨著自動駕駛車輛的出現(xiàn)，諸如激光雷達、雷達、攝像機和超聲波傳感器等需要高性能圖形處理器來收集、解釋、集成和理解的系統(tǒng)，對配電系統(tǒng)更提出了額外要求。這類處理器非常耗電，給傳統(tǒng)的汽車 12V 配電總線增加了額外負擔(dān)。即使是對具有較高自動駕駛性和駕駛員輔助功能（ADAS）的車輛，當(dāng)今 12V 電氣系統(tǒng)已遠不能提供車載計算機分析和處理傳感器和攝像頭數(shù)據(jù)所需的能量。這樣的車載計算機將消耗約一千瓦到兩千瓦電力，這會讓 12V 系統(tǒng)的功率消耗殆盡。無論是未來的自動駕駛駕駛汽車是混合動力汽車還是純電動汽車，都需要 48V 系統(tǒng)來承受高耗能的負載。
博世集團董事會成員 Stefan Hartung 表示：“由于排放法規(guī)的實施迫使汽車制造商尋求有效降低汽車碳排放量的方法，因此當(dāng)今許多汽車及其內(nèi)燃機正在面臨轉(zhuǎn)型。48V 電氣系統(tǒng)正為汽車業(yè)帶來革新，48V 輕混定將成為未來汽車市場的最低標(biāo)準(zhǔn)?！彼f，全球范圍內(nèi)，尤其在歐洲和中國，48V 系統(tǒng)解決方案的市場正在不斷擴大。博世預(yù)計，到 2025 年，全球每年銷售的新車中將有近 20%配備 48V 系統(tǒng)和配套電池。
為此，博世與寧德時代達成長期戰(zhàn)略合作協(xié)議，根據(jù)博世要求投產(chǎn)了 48V 輕混系統(tǒng)的核心元件 48V 電池。這一合作也進一步擴展了 48V 電池在全球多家汽車制造商的廣泛應(yīng)用，還將推動 48V 輕混汽車進入合理價格區(qū)間。
《紐約時報》在 2018 年就指出，電動汽車不僅對環(huán)境有好處，而且對用戶的耗電傾向也有好處。各車企正尋求擺脫傳統(tǒng)的 12V 系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而尋求 48V 標(biāo)準(zhǔn)，為未來的汽車提供動力。在過去十年左右時間，汽車制造商一直在用更高效的電動部件取代傳統(tǒng)的機械驅(qū)動部件，如電動轉(zhuǎn)向架、電動制動真空泵和電動水泵。
事實上，一些汽車已經(jīng)在用 48V 系統(tǒng)，如保時捷卡宴混動和賓利賓泰加混動 SUV。但是，盡管絕大多數(shù)購車者還無法使用開上汽車，但很快就會廣泛采用新標(biāo)準(zhǔn)。
在歐洲，特別是沃爾沃的大部分車型中都處于領(lǐng)先地位，新車型已采用輕混動力技術(shù)，而在 2021 款的 S90/V90 將加入 48V 輕混動力。48V 的標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)輕混動力車。沃爾沃稱，48V 輕混既能提升動力，又在油耗方面得到了優(yōu)化，官方數(shù)據(jù)表明可節(jié)省超過 15%的燃油。奧迪 A7 和 A8 上引入 48V 輕混系統(tǒng)，同樣令消費者對輕混有了新的認識，一是成本較低，對消費者和主機廠的負擔(dān)較少；相比 12V，較高的電壓也降低了電流，車輛的安全性更高。最重要的是，在燃油經(jīng)濟性上的提升可謂立竿見影，在實際的駕駛中，48V 輕混動力系統(tǒng)可降低車輛 0.7L/100km 的油耗。
Navigant 的預(yù)測顯示，就 2025 年全球新車銷量而言，48V 輕混動力車可能占據(jù) 14%的市場份額，而汽油或或柴油發(fā)動機的市場份額將只有 65%。
IHS：按地區(qū)劃分 48V 輕混增長預(yù)測
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為什么 48V 系統(tǒng)會出現(xiàn)在所謂輕混動力系統(tǒng)中呢？自有其道理，首先，48V 系統(tǒng)能以 30%的成本提供全混合動力汽車 70%的好處。
其次，隨著時間推移，新車變得越來越復(fù)雜和高科技，與這些進步相關(guān)的新的更高功率要求以及越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)是 48V 電力系統(tǒng)像野火一樣蔓延的原因。汽車制造商已經(jīng)增加了大量新的信息娛樂選項以及駕駛員輔助安全功能，如自適應(yīng)巡航控制、車道保持輔助、盲點監(jiān)控等。此外，還有加熱座椅、方向盤加熱和擋風(fēng)玻璃加熱。不用說，標(biāo)準(zhǔn) 12V 電力系統(tǒng)正越來越薄弱，48V 電力系統(tǒng)的介入有助于滿足對更多車載電源的需求。
第三，為了滿足燃油經(jīng)濟性和二氧化碳排放法規(guī)要求，特別是在歐盟和中國，到 2021 年每公里需要 95 克二氧化碳，到 2020 年每公里需要 117 克二氧化碳。到 2025 年，美國 54.5 英里 / 加侖（相當(dāng)于每公里 101 克）的需求也迫在眉睫。因此 HIS 預(yù)計，到 2025 年，48V 輕混動力車市場將增長 9 倍，將有 1400 萬輛車投產(chǎn)。
48V 電氣系統(tǒng)的顛覆在哪里？
德州儀器（TI）混合動力、電動汽車和動力總成系統(tǒng)負責(zé)人 Karl-Heinz Steinmetz 表示，48V 的優(yōu)點首先是增加動力，減少排放。汽車動力驅(qū)動架構(gòu)從 12V 走向 48V 的進步滿足了如今高耗能汽車更高的電力需求，功率的增加還可以使內(nèi)燃機更有效地運轉(zhuǎn)，幫助制造商更快地滿足排放法規(guī)要求。各汽車制造商正在推出具有啟停技術(shù)的輕混動力汽車。該技術(shù)可使發(fā)動機在汽車滑行、制動或停止時暫時關(guān)閉，然后迅速重新啟動，并由新系統(tǒng)提供部分動力。低端輕混動力汽車制造商今年將緊隨其后，效仿采用這一技術(shù)。與傳統(tǒng)的混合動力汽車不同，輕混動力汽車中的電機用于補充內(nèi)燃機，不單獨為汽車提供動力。
他解釋說，傳統(tǒng) 12V 電氣系統(tǒng)使用鉛酸電池和交流發(fā)電機為不斷增加的各種耗能功能提供電能，如車內(nèi)外照明、半自動防撞和車道偏移安全功能以及提供車載音頻和視頻的軟硬件。48V 系統(tǒng)可滿足這些功率負載。48V 汽車中的驅(qū)動渦輪增壓器、空調(diào)壓縮機、主動懸架系統(tǒng)、冷卻液泵、機油泵和轉(zhuǎn)向助力泵運行所需能量由電氣系統(tǒng)提供，而非由以往為內(nèi)燃機提供動力的曲軸皮帶輪和皮帶傳動提供。
48V 電氣系統(tǒng)如何支持傳統(tǒng) 12V 系統(tǒng)
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Karl-Heinz 指出，從以前由產(chǎn)生二氧化碳的發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)過渡到由 48V 電氣系統(tǒng)電流驅(qū)動的系統(tǒng)，就可使用更小尺寸的發(fā)動機，例如將六缸車減小為四缸車，從而提高燃油效率并降低二氧化碳排放量。在技術(shù)層面，從 12V 切換到 48V 所需的結(jié)構(gòu)性改造并不大。
第二個優(yōu)點是回收儲存能量。48V 系統(tǒng)采用大容量鋰電池和再生制動系統(tǒng)，通過再生制動或恢復(fù)制動，發(fā)電機將汽車減速時損耗的動能轉(zhuǎn)換為電能，存儲在 48V 大容量電池中，并能利用回收的能量支持內(nèi)燃機的電氣裝置。Karl-Heinz 說，通過再生制動，當(dāng)駕駛員在交通信號燈處由停車變?yōu)榧铀傩旭倳r，所存儲的能量將被用于推動車輛前行，從而實現(xiàn)比通常情況下更快的速度。一些 48V 電氣系統(tǒng)還會在車輛滑行或停車時關(guān)閉發(fā)動機，從而提高燃油效率，并降低排放。
第三個優(yōu)點是滿足大功率用電。48V 系統(tǒng)的汽車不會發(fā)生許多駕駛員抱怨的 12V 系統(tǒng)汽車停下時，暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)就會斷電的情形。對于穩(wěn)定性控制或空調(diào)壓縮機等依靠大電流的負載，48V 系統(tǒng)可實現(xiàn)安全性和舒適性功能，在性能和效率上更具優(yōu)勢。另外，儲存的能量可隨時用于為車窗除霜并更快地加熱座椅?，F(xiàn)在，越來越多制造商正在使用新型紅外發(fā)熱板直接為乘客供熱，而不會浪費電能來加熱汽車的其余部分。但是，紅外發(fā)熱板的挑戰(zhàn)在于每個座椅需要約 500 瓦功率，這給 12V 電氣系統(tǒng)帶來了很大壓力。48V 系統(tǒng)則不在話下。
事實上，許多汽車制造商正在將起動機和發(fā)電機、直流 / 直流轉(zhuǎn)換器和電池管理等系統(tǒng)以及 HVAC 壓縮機、正溫度系數(shù)加熱器和接線盒之類的車身電子器件轉(zhuǎn)為 48V。
Tier 1 的成功嘗試，為什么不是 64V、72V？
德爾福項目及工程管理副總裁 Mary Gustanski 進一步解釋道，用 48V 電力而不是 12V 電力來運行汽車，不僅因為減少了損耗（這是通過高壓電線傳輸電力的原因），而且因為泵和風(fēng)扇在更高電壓下運行得更有效。不過，更重要的是，48V 電源為傳統(tǒng)上由發(fā)動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的設(shè)備提供了足夠的電力。
她舉例說，因為冬天剛過，你正以 4000 轉(zhuǎn) / 分的速度驅(qū)車上山。在傳統(tǒng)汽車上，由發(fā)動機驅(qū)動的水泵會快速旋轉(zhuǎn)，并通過發(fā)動機輸送大量的冷卻液。但是，由于外面很冷，發(fā)動機可能不需要那么多的冷卻液來保持發(fā)動機運轉(zhuǎn)。因此，如果使用電動水泵，就可以根據(jù)冷卻要求，通過節(jié)流來節(jié)省能源。
另一個例子是，一個 48V 的交流系統(tǒng)在高速公路巡航期間以低速運行壓縮機，而不是以由發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制的非常高的速度運行。這里的要點是，允許部件以基于所需輸出的速度運行，而不是簡單地基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，這對效率有很的好處。
Mary Gustanski 甚至提到使用 48V 電源可以更快地加熱柴油機排氣系統(tǒng)中的催化劑，以減少排放。在這兩者之間，增加了電氣功能，可以實現(xiàn)再生制動，從電動機的增壓減少發(fā)動機負荷，不依賴于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，更有效地驅(qū)動部件，并減少渦輪增壓器滯后。可以肯定的是，這項技術(shù)的好處遠遠超過了提高 15%的燃油經(jīng)濟性。豪華車上尤其如此。例如，賓利賓塔伊加（Bentley Bentayga）使用 48V 電池驅(qū)動防傾桿系統(tǒng)系統(tǒng)，獲得了更好的操控性，奧迪則使用 48V 電池組為電動增壓器提供動力。
她解釋說，48V 技術(shù)可以極大地提高車輛的啟動能力。本田思域（Honda Civic）的“E-charger”可以在停止 / 啟動中以較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速啟動車輛的渦輪，基本消除了渦輪遲滯和低轉(zhuǎn)速扭矩不足，使低速扭矩增加 25%，加速性能提高 30%。
所以 48V 的系統(tǒng)意味著車內(nèi)可以有更多電子設(shè)備，而且意味著引擎蓋下有更多的性能，這是 12V 電池所無法企及的。不過，未來的 48V 設(shè)計并不是要完全取代目前的電力架構(gòu)（就像汽車業(yè)在 20 世紀(jì) 90 年代考慮用 42V 系統(tǒng)卻半途夭折那樣，完全棄用 12V 牽扯到的復(fù)雜性和成本過高導(dǎo)致推廣阻力過大），其本質(zhì)上是以一種溫和的混合動力起到了補充作用。換言之，一個新的電動機和 48V 電池只是簡單地添加到內(nèi)燃機和普通的 12V 電池上，類似于通用汽車別克君越的 BAS 混合動力車。
與通用的老款電氣化動力系統(tǒng)類似，大多數(shù)新的雙電壓輕混動力設(shè)計（如雷諾風(fēng)景（Scenic）的 48V 系統(tǒng)）由三個主要部件組成：皮帶發(fā)電機起動器（也稱為皮帶驅(qū)動起動器發(fā)電機或電機發(fā)電機組，MGU）、直流 - 直流轉(zhuǎn)換器和更高電壓的電池。這三個部件旨在輕松適應(yīng)普通非混合動力汽車的電氣系統(tǒng)和包裝環(huán)境，MGU 取代了前端附件驅(qū)動上的傳統(tǒng)交流發(fā)電機，DC-DC 轉(zhuǎn)換器和電池在后備箱中占據(jù)了少量空間。這使得 48V 輕混車成為一種相對便宜、容易和輕便的方式。Mary Gustanski 稱之為“一輛完整的混合動力車，50%到 70%的好處，卻只有 30%的成本。”這 50%到 70%意味著約 10%到 15%的燃油經(jīng)濟性改善。
在 Continental 和 Delphi 的 48V 系統(tǒng)中，使用的是是一個鋰離子電池，大小與鞋盒（圖中黑色）差不多。1kWh 以下的電池組通過安裝在后備箱上的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（帶風(fēng)扇的銀盒）向一個 12V 的小鉛酸蓄電池輸送電能，后者降低電壓，為汽車的 12V 附件供電。加上保險絲和電池控制器，也占不了很大空間，在生產(chǎn)車型中，它們會被放行李箱下面。
德爾福的 48V 系統(tǒng)就占這么小空間
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采用高壓電池還有一個明顯的意思，Mary Gustanski 說，48V 電池可以提供 4 倍于 12V 電池的車載功率，這意味著它可以用來驅(qū)動大量的高牽引附件，如風(fēng)扇、泵、電動轉(zhuǎn)向架和壓縮機，讓它們更有效地工作。此外，因為在較高電壓下通過導(dǎo)線的電流較低，線束的尺寸和重量都減小了。
與交流發(fā)電機一樣，發(fā)動機發(fā)電機組通過附件皮帶與發(fā)動機曲軸相連，除此之外，48V 機組通常采用液體冷卻，并配有特殊的張緊器，以適應(yīng) MGU 和 MGU 將施加扭矩的事實。在第一種情況下，大約 10kW 的單元充當(dāng)一個電機，通過逆變器接收來自車尾的行李箱中 48V 鋰離子電池的電流，該逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源來驅(qū)動電機。然后，發(fā)動機通過傳動帶讓汽油或柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)起來。在啟動 / 停止事件（12V 啟動機仍用于冷啟動）后快速啟動內(nèi)燃機，向發(fā)動機提供高達 100 磅英尺的扭矩“增強”以提高加速性能（尤其是在啟動 / 停止事件后），將計算出的扭矩脈沖發(fā)送到發(fā)動機以減少啟動 / 停止振動，或在其他時間減少發(fā)動機負載，以最大限度地提高燃油經(jīng)濟性。
這個裝置不僅像馬達一樣工作，同時向曲軸傳遞扭矩，所以它也是一個發(fā)電機，接收扭矩是為了完成其最基本的任務(wù)，即為汽車后部的 48V 電池組發(fā)電。這不僅發(fā)生在發(fā)動機啟動和皮帶旋轉(zhuǎn)時（如使用傳統(tǒng)交流發(fā)電機），而且發(fā)生在發(fā)動機關(guān)閉和車輛滑行或制動時。這意味著內(nèi)燃機能夠切斷燃料供應(yīng)，車輪實際上通過一個鎖定的變矩器轉(zhuǎn)動內(nèi)燃機。發(fā)動機曲軸上的皮帶帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，為 48V 電池提供能量。因此，該裝置的作用不僅是在啟動 / 停止事件后無縫啟動汽車，執(zhí)行交流發(fā)電機的充電任務(wù)，同時通過在曲軸上施加扭矩來減少發(fā)動機上的負載，而且還允許再生制動。
既然高電壓好，那為什么不是 64V、72V 呢？她說，更高電壓的電池可以提供更大的容量，但政府標(biāo)準(zhǔn)要求使用昂貴的屏蔽、導(dǎo)管（許多混合動力車中看到的橙色導(dǎo)管），而任何高于 60V 的汽車電氣系統(tǒng)連接器都被稱為“高壓”）。將電壓保持在這個閾值以下意味著這些溫和的混合動力系統(tǒng)的總成本可以保持在 80 到 1200 美元之間。這一點很重要，因為汽車制造商愿意為節(jié)油技術(shù)付出的“經(jīng)驗法則”是每 MPG（每加侖汽油可行駛英里數(shù)）增益為 50-100 美元左右。增加 10%到 15%的里程，輕混動力系統(tǒng)可以做到。
未來如何走？
有專家預(yù)計，到 2025 年，48V 技術(shù)將達到全球汽車銷量的五分之一。除了減少有害廢氣排放并提高燃料經(jīng)濟性外，由 48V 電氣系統(tǒng)實現(xiàn)的功率增加還可滿足消費者對高科技信息娛樂、便捷性和輔助駕駛安全功能日益增長的需求。
今天，業(yè)內(nèi)很多制造商已接受這一變革。不過，在新能源與節(jié)能汽車領(lǐng)域，中國市場目前仍由純電動和插電式混合動力汽車占據(jù)著絕對優(yōu)勢，48V 系統(tǒng)仍未批量應(yīng)用于市場?？偟膩砜矗?020 年將是 48V 系統(tǒng)市場爆發(fā)的時間點，迎來第一輪高速增長只是時間問題。
