48 V系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概述

張昶 付磊

（中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：新能源車 混合動力系統(tǒng) 48V 系統(tǒng)構(gòu)型 節(jié)油

1 前言

近年來，迫于能源供應(yīng)與生態(tài)環(huán)境的壓力，各國逐步推出更加嚴(yán)苛的汽車排放與能耗法規(guī)，這也讓整車廠面臨著技術(shù)升級和轉(zhuǎn)型的壓力。在此背景下，新能源汽車日益崛起，成為整車廠降油耗和排放的主要手段。但是對絕大多數(shù)OEM而言，新能源車從深度混合動力到純電動、燃料電池汽車均因成本過高，而處于虧損狀態(tài)。48V輕度混合動力系統(tǒng)因其硬件成本較低，且能實現(xiàn)大多數(shù)混合動力功能而逐漸獲得諸多OEM青睞。

目前國外奔馳、奧迪等公司，國內(nèi)長安、吉利等公司已經(jīng)推出自己的48V混動車型；博世、博格華納、麥格納等供應(yīng)商也已推出自己的48V混動乃至純電動解決方案。在未來較長的一段時間內(nèi)，48V系統(tǒng)將在汽車動力系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。本文將從技術(shù)角度探討48V系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用潛力及發(fā)展前景。

2 48V輕度混合動力系統(tǒng)概述

近二十年來，新能源車型日益興起，輕混、深混、插電混動、純電動、燃料電池等新能源車型逐步走向市場。然而目前各大OEM面臨的困境是，新能源車雖然能極大降低能耗和排放，但是因其成本過高，技術(shù)復(fù)雜，目前絕大多數(shù)廠商推出的新能源車型都處于虧損狀態(tài)，國內(nèi)的主要新能源車型目前還處于依靠國家財政補貼生存的階段。隨著國家財政補貼逐漸退坡，新能源車將逐步進入由產(chǎn)品力及性價比驅(qū)動發(fā)展的階段。

從成本角度看，48V系統(tǒng)因其在60 V的安全電壓等級以下，因此無需額外的高壓安全防護；另外，48V系統(tǒng)中電動化部件的功率及能量等級較低，其硬件成本相較于深混系統(tǒng)大大降低。這兩方面的原因使48V系統(tǒng)成為極具性價比的混動解決方案。從整車混動功能及性能角度看，48V系統(tǒng)能實現(xiàn)如發(fā)動機起停、制動能量回收、行車發(fā)電、電機助力、純電驅(qū)動（因構(gòu)型而定）等絕大多數(shù)混合動力功能。

48V系統(tǒng)功能及性能因其動力系統(tǒng)構(gòu)型不同而有所區(qū)別，但其基本混合動力功能與原理與如圖1所示。因構(gòu)型不同，48V系統(tǒng)在整車應(yīng)用中可實現(xiàn)10%～18%節(jié)油率，整車降油耗成本低于500元/（0.1L/100km）。

圖1 48V系統(tǒng)主要混合動力功能

3 48V系統(tǒng)構(gòu)型分析

從構(gòu)型角度看，48V系統(tǒng)與深度混合動力系統(tǒng)并無本質(zhì)差異，根據(jù)電機在動力系統(tǒng)中的位置，整體上可以分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4、EV等方案，如圖2所示。本節(jié)從各構(gòu)型的特點出發(fā)探討各方案的優(yōu)缺點。

圖2 48V系統(tǒng)構(gòu)型分類

3.1 P0構(gòu)型

P0構(gòu)型48V系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣及成本最低的48V混動方案，它是在傳統(tǒng)發(fā)動機的輸入軸并聯(lián)一個BSG電機，該電機可以充當(dāng)智能發(fā)電機、起動機，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機起停、制動能量回收和發(fā)動機工作點調(diào)節(jié)等混動功能。一般而言，受限于帶傳動的可靠性，BSG電機的功率等級一般在10～15 kW之間。

P0構(gòu)型48V系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于成本低廉，結(jié)構(gòu)改動量小，容易實現(xiàn)模塊化。而且，由于電機與發(fā)動機為平行軸結(jié)構(gòu)，對軸向尺寸影響較小，尤其對于橫置前驅(qū)車而言，搭載性非常好。同時，由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能相對簡單，控制開發(fā)的難度也相對較小。

P0構(gòu)型的主要劣勢在于，發(fā)動機與電機機械固連，二者不能脫開，因此沒有純電行駛功能。而且，由于電機在發(fā)動機輸入端，在制動或滑行能量回收的過程中，回饋能量需要經(jīng)過發(fā)動機的反拖才能輸入到電機端，因而制動回收效率較低。另外，由于BSG電機的功率等級較低，它調(diào)節(jié)發(fā)動機工作點的能力十分有限，對節(jié)油的貢獻度也就較小?？紤]到以上三個方面的原因，P0構(gòu)型的48V系統(tǒng)節(jié)油率一般只有10～12%左右。

3.2 P1構(gòu)型

P1構(gòu)型與P0構(gòu)型功能及性能十分類似，只是電機布置在發(fā)動機的輸出軸端，且一般通過齒輪連接。因此P1電機相對于P0電機的功率等級更高，一般可達到15～30 kW（根據(jù)系統(tǒng)功能需求及整車性能需求而定）。

P1構(gòu)型的48V系統(tǒng)在啟動發(fā)動機、制動回收、發(fā)動機工作點調(diào)節(jié)等混動功能上一般比P0構(gòu)型性能更佳。但是P1構(gòu)型對于軸向尺寸的影響較大，這對于橫置前驅(qū)車型的布置是較為不利的因素，而且在性能上也不如P2這種電機可以與發(fā)動機脫開的方案，因此在產(chǎn)品車上較少采用此方案。

3.3 P2構(gòu)型

P2構(gòu)型的48V系統(tǒng)是在發(fā)動機和變速箱之間增加一個48V電機，且電機與發(fā)動機之間有一個分離離合器C0。P2構(gòu)型相較于P0、P1構(gòu)型，最重要的區(qū)別在于電機可以與發(fā)動機脫開。這一特點給系統(tǒng)帶來了兩方面顯著的優(yōu)勢：（1）P2電機可以進行純電驅(qū)動，從而覆蓋發(fā)動機低功率驅(qū)動區(qū)域，即在車輛低速低功率驅(qū)動需求階段，發(fā)動機停機，C0離合器分開，電機承擔(dān)驅(qū)動任務(wù)，使系統(tǒng)整體驅(qū)動效率有較為明顯的改善；（2）由于發(fā)動機與電機可以脫開，在制動或滑行能量回收的過程中，發(fā)動機可以停機，去掉發(fā)動機的反拖損失，提高可回收能量，從而提升系統(tǒng)的能量利用效率。

與P0、P1構(gòu)型不同的是，P2電機除了需要承擔(dān)停車起停的任務(wù)外，還需要承擔(dān)行車過程中啟動發(fā)動機的任務(wù)。如從純電驅(qū)動切換至發(fā)動機驅(qū)動、滑行停機后又有了較大的驅(qū)動需求等工況下，就需要P2電機進行啟動發(fā)動機。此種工況下，極易產(chǎn)生輸出扭矩的波動，影響舒適性，因此P2系統(tǒng)對電機扭矩和轉(zhuǎn)速的瞬態(tài)控制要求較高。另外，由于P2構(gòu)型中，發(fā)動機和電機同軸，對于軸向尺寸增加非常明顯，適于應(yīng)用在縱置后驅(qū)車型中。若應(yīng)用在橫置車型中，對于動力系統(tǒng)布置及電驅(qū)系統(tǒng)集成的要求極高。

從系統(tǒng)功能和性能的角度看，由于P2電機增加了純電驅(qū)動功能，且制動回收功率需求更高，因此要求電機功率及電池能量也相對較高，一般P2電機的功率需求為18～25 kW之間，電池的能量需求為20 Ah左右。一般而言P2構(gòu)型的48V系統(tǒng)節(jié)油率可達到15%左右。

3.4 P2.5構(gòu)型

P2.5構(gòu)型從系統(tǒng)功能和性能、總成需求上看與P2構(gòu)型并無太大差異，二者最大的區(qū)別在于P2.5構(gòu)型中電機與發(fā)動機為平行軸結(jié)構(gòu)，電機集成在變速箱的某一軸上。這就使系統(tǒng)的軸向尺寸大為減小，同時也使橫置前驅(qū)車型應(yīng)用此方案的布置難度降低了很多。

3.5 P3構(gòu)型

P3構(gòu)型是將電機集成在變速箱的輸出軸上，這帶來了兩個較為明顯的優(yōu)勢：（1）電機到車輪端的傳動鏈更短了，可以提升純電驅(qū)動、制動能量回收效率；（2）在變速箱換擋過程中，電機可以進行輪端輸出扭矩補償，減小輪端扭矩波動，提升舒適性和車輛動態(tài)響應(yīng)特性。

與P0、P1、P2構(gòu)型不同的是，P3電機不能實現(xiàn)啟動發(fā)動機的功能，因此P3構(gòu)型一般都采用雙電機，即P0+P3方案。雙電機系統(tǒng)帶來的另外一個優(yōu)勢是，增加了串聯(lián)行駛功能，這對調(diào)節(jié)發(fā)動機工作點的能力進一步增強。以P2構(gòu)型為例進行對比，在電量較低且驅(qū)動功率需求也較低的時候，需要發(fā)動機進入行車充電工作模式，此時，P2構(gòu)型發(fā)動機可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩解耦，即提升發(fā)動機轉(zhuǎn)矩至高效區(qū)；但是串聯(lián)功能可以使發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動需求全解耦，讓發(fā)動機工作在最低燃油消耗率（BSFC）區(qū)間內(nèi)，這相對于P2構(gòu)型的驅(qū)動效率有了進一步提升。二者發(fā)動機工作點區(qū)別示意如圖3所示。

圖3 P2與P3構(gòu)型工作點區(qū)別

由于采用雙電機系統(tǒng)，P3構(gòu)型的成本相對較高，而且驅(qū)動電機集成在變速箱輸出軸上，對系統(tǒng)集成、變速箱控制要求較高。

3.5 P4構(gòu)型及EV

對于前驅(qū)車而言，P4構(gòu)型一般是在車輛的后軸上增加一個48V電驅(qū)動橋，該方案與P3構(gòu)型較為類似，一般也采用雙電機構(gòu)型，即P0+P4方案。它擁有與P3構(gòu)型相同的優(yōu)勢：制動回收及電驅(qū)動傳動鏈短，效率高；雙電機系統(tǒng)可以實現(xiàn)串聯(lián)行駛功能等。另外，P4構(gòu)型還具備一些額外的優(yōu)勢，即拓展的四驅(qū)功能，這使得該方案尤其適用于城市SUV車型。由于P4電機可以獨立承擔(dān)驅(qū)動后輪的任務(wù)，因此整車可以實現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)、四驅(qū)幾種不同的驅(qū)動模式，這使得整車可以實現(xiàn)優(yōu)異的加速性能和動態(tài)特性。

P4構(gòu)型由于需要集成在后驅(qū)動橋上，因此需要增加額外的減速器，這也使得P4方案的成本是幾個構(gòu)型中最高的。另外，由于單級減速器的引入，給系統(tǒng)帶來了另外的問題：（1）電機的最高轉(zhuǎn)速會限制整車的最高車速；（2）電機與車輪固連，電機長久工作在較高的轉(zhuǎn)速，對整車的NVH影響較大，且電機的拖拽損失也較大，加大了汽車行駛的阻力。針對以上問題，有些供應(yīng)商提供了減速器可斷開的方案，即在電機與減速器之間增加一個離合器，讓電機“按需工作”，即純電驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、制動回收等工況中，離合器接合，電機正常工作；發(fā)動機單獨驅(qū)動等工況中，離合器斷開，電機停機。這樣的解決方案能夠解決NVH、拖拽損失等問題，但是對離合器接合控制、電機的轉(zhuǎn)速控制提出了極高的要求?？傮w而言，P4電后橋方案的集成難度較大。

另外，部分供應(yīng)商提出了48V電機+單機減速器的純電動方案，應(yīng)用于一些低速電動車、低功率需求的專業(yè)工具車的方案。

3.6 各48V方案對比總結(jié)

綜合3.1～3.5章節(jié)的探討，將各構(gòu)型方案的48V系統(tǒng)對比評價如表1所示。表中數(shù)據(jù)均為定性說明各方案的典型特征，節(jié)油率、電機和電池需求等參數(shù)并非代表各方案的嚴(yán)格指標(biāo)，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體車型進行相應(yīng)匹配。

4 48V應(yīng)用案例

近年來，整車廠對于48V系統(tǒng)的研究逐步深入，目前已經(jīng)有部分搭載48V系統(tǒng)的整車投產(chǎn)上市，各整車廠及供應(yīng)商也逐步發(fā)布自己未來的48V系統(tǒng)解決方案，有望在接下來的若干年內(nèi)投產(chǎn)應(yīng)用，本節(jié)將簡單介紹典型的48V系統(tǒng)解決方案。

4.1 已上市48V車型案例

目前市面上應(yīng)用最廣的48V系統(tǒng)為P0構(gòu)型，奧迪在48V領(lǐng)域領(lǐng)先其他廠商一步，在2018年已上市的A6、A7、A8/A8L、Q8等車型中均搭載了48V輕度混合動力系統(tǒng)，并且已經(jīng)實現(xiàn)模塊化。以上各車型中的48V系統(tǒng)均采用大陸集團制造的交流非同步電機，峰值功率12 kW，峰值扭矩60 N·m，電池采用LGC的10 Ah三元鋰離子電池。圖4所示為奧迪A6-48V混合動力系統(tǒng)總成[1]。國外市場上，奔馳也在C200車型上搭載P0構(gòu)型48V的產(chǎn)品。

表1 各構(gòu)型48V方案對比評價

圖4 奧迪A6-48V混合動力總成[1]

國內(nèi)市場上，長安在2016年就發(fā)布了第一款搭載P0構(gòu)型48V系統(tǒng)的混動車型——長安逸動藍動版，該車型動力系統(tǒng)配置為1.6L自然吸氣發(fā)動機+5速手動變速箱，其48V電機功率為11.5 kW，扭矩為50 N·m，節(jié)油率達到10%以上。吉利在2018年發(fā)布了博瑞GE MHEV，該車同樣搭載P0構(gòu)型48V系統(tǒng)，電機功率為12 kW，扭矩為50 N·m。

4.2 供應(yīng)商48V產(chǎn)品解決方案

除了以上已在整車上應(yīng)用的48V系統(tǒng)外，國內(nèi)外主要供應(yīng)商也相繼推出了各自的48V系統(tǒng)解決方案。

舍弗勒針對2025年的排放法規(guī)，研發(fā)了P2構(gòu)型的48V系統(tǒng)，并在功能樣車上進行了性能驗證。其動力系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D5所示[2]。該48V系統(tǒng)采用了1.84 kWh電池方案，純電行駛距離可達5 km，純電車速可覆蓋至60 km/h；它還對發(fā)動機進行了針對性的優(yōu)化，采用UniAir技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機進氣門的開閉時機、氣門升程均連續(xù)可調(diào)。搭載此系統(tǒng)的樣車可以達到歐6d排放標(biāo)準(zhǔn)，并且在WLTC工況下實現(xiàn)15%節(jié)油率。

圖5 舍弗勒P2-48V系統(tǒng)[2]

格特拉克在2017年推出了其深混和48V微混共平臺的7HDT300混動專用雙離合變速箱，該系統(tǒng)為P2.5構(gòu)型，如圖6所示[3]。為豐富其48V混動產(chǎn)品線，格特拉克還推出了6HDT200、6HMT215等P2.5構(gòu)型48V系統(tǒng)。以上各產(chǎn)品的電機功率均為15 kW，扭矩從215～320 N·m不等。

圖6 格特拉克P2.5構(gòu)型7HDT300[3]

麥格納推出了P3構(gòu)型的48V驅(qū)動系統(tǒng)，如圖7所示[4]。該系統(tǒng)包含一個峰值功率為25 kW，最高轉(zhuǎn)速為35 000 r/min的48V電機以及一個分離離合器，高轉(zhuǎn)速電機可以幫助系統(tǒng)在更寬廣的車速范圍內(nèi)進行制動能量回收，提升能量利用效率。該系統(tǒng)在WLTC工況下可以實現(xiàn)18%的節(jié)油率。

圖7 麥格納P3構(gòu)型48V系統(tǒng)[4]

麥格納還推出了其P4構(gòu)型48V電驅(qū)動橋，如圖8所示[4]。該系統(tǒng)匹配峰值功率25 kW，最高轉(zhuǎn)速35 000 r/min的油冷電機。極高的電機轉(zhuǎn)速使其無需斷開裝置也不會對限制車輛最高車速，同時還可以保證車輛在全車速范圍內(nèi)的制動回收能力。該系統(tǒng)經(jīng)過驗證，可以在WLTC工況下實現(xiàn)18%的節(jié)油率。P4構(gòu)型48V電驅(qū)動橋因其對整車動力性、經(jīng)濟性提升顯著，且易于實現(xiàn)模塊化，成為了諸多供應(yīng)商的未來48V系統(tǒng)重點解決方案。除麥格納外，F(xiàn)EV、博格華納、法雷奧等公司均推出了各自的48V-P4混合動力解決方案，所采用的電機功率等級在20～30 kW之間。

圖8 麥格納P4構(gòu)型48V電驅(qū)動橋—eRAD[4]

除混動方案外，F(xiàn)EV還推出了其應(yīng)用于輕型商用車上的48V純電動系統(tǒng)解決方案，該系統(tǒng)與P4構(gòu)型類似，可用于商場清潔車、小型貨物運輸車等領(lǐng)域。法雷奧還推出了應(yīng)用于市區(qū)微型短途代步的48V純電動概念車，設(shè)計指標(biāo)為最高車速100 km/h，續(xù)駛里程100 km。

4.3 48V系統(tǒng)平臺拓展

以上所介紹的48V系統(tǒng)技術(shù)主要是針對節(jié)能減排功能開發(fā)的，實際上，48V系統(tǒng)的應(yīng)用范圍并不局限于此。以奧迪A8L為例，其48V車型中不僅包含用于節(jié)能的48V電機和電池，還充分利用48V系統(tǒng)平臺電功率等級更高的特點，拓展了48V主動懸架應(yīng)用，如圖9所示[5]。該主動懸架可以實現(xiàn)自動伸縮，極大提升不平整路面上的駕駛舒適性；甚至該系統(tǒng)可以與雷達和攝像頭系統(tǒng)配合，監(jiān)測車輛周圍危險源，在有碰撞風(fēng)險時，自動調(diào)整懸架角度，將碰撞傷害降至最低。

博格華納還推出了其48V電動渦輪產(chǎn)品，如圖10所示[6]。該產(chǎn)品配合傳統(tǒng)的機械渦輪應(yīng)用，可以極大改善渦輪遲滯，幫助發(fā)動機在更低轉(zhuǎn)速發(fā)揮出峰值扭矩，提升動力性。而且相較于傳統(tǒng)的12V電動渦輪，48V電動渦輪的響應(yīng)更快，功率更高。

圖9 奧迪48V主動懸架[5]

另外，考慮到48V電池的可靠耐久問題及電池低溫性能較差等問題，麥克斯威爾、烯晶碳能等公司拓展出了48V電池與超級電容搭配使用，讓電容承擔(dān)低溫、高壓、過載等惡劣工況下的充放電任務(wù)，電池工作在相對平穩(wěn)的條件下，從而提升整車48V系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性。

5 結(jié)論及啟示

（1）48V系統(tǒng)在將來較長的一段時間內(nèi)，成為各大整車廠應(yīng)對日益嚴(yán)苛排放和能耗法規(guī)的極具性價比的解決方案。

（2）48V系統(tǒng)的應(yīng)用從最簡單的P0-BSG方案，逐步拓展到P1、P2、P2.5、P3、P4、EV等方案，應(yīng)用逐漸多元化，且能滿足各種級別乘用車的需求。

（3）48V系統(tǒng)的應(yīng)用不應(yīng)僅僅局限于降低排放和能耗方面，同時應(yīng)充分利用48V系統(tǒng)電氣化平臺，拓展出更多應(yīng)用，在安全性、舒適性、動力性等領(lǐng)域開發(fā)出讓用戶感知明顯的系統(tǒng)功能。