一篇文章讲透柴油48V轻混

cengjili

当前国内已经全面实行国六B + RDE排放标准，因此乘用车很多大排量柴油发动机都难以继续上市，混动不失为一种曲线救国的动力选择。加上乘用车领域混动车型甚至纯电车型已经占据了极大的一部分市场份额，相信未来的柴油乘用车、皮卡车市场也会出现越来越多的混动车型。



前言

当前的大环境之下，排放法规的收紧已经成为了不可逆转的趋势，甚至已经有很多国家传出要在某一年之内停售燃油车。不过以当前的技术水平和环境之下，要提前停售传统的燃油车，显然是为时过早的。目前无论怎么发展纯电动车，或者是HEV、PHEV等混合动力车型，都很难追上传统燃油车的市场占有份额。怎么样才能让这么多燃油车的油耗快速跟进，从而应对严苛的排放法规呢？这时候一个全新的概念——48V轻度混合动力系统，就成为了各大车企需找到的技术突破口。汽油圈48V轻度混合动力系统已经很多年了，对于柴油圈的这个技术还有点陌生。那么就来研究一下，柴油48V轻度混合动力系统这到底是个什么玩意儿？



众所周知，乘用汽车上的车用电子设备，基本上是由车载的12V蓄电池组提供电力的，本质上是将发动机的一部分动力通过发电后蓄能，然后再用这部分的能量来运作。目前主流的汽车蓄电池电压是12V。以前12V的电压对于车上的电子设备来说是够用的，但是自从自动启停系统诞生之后就不一样了。在短暂停车之后，电机需要通过带动发动机曲轴来“唤醒”发动机，而这样的负载消耗的功率，要比车上其它用电设备大得多，所以搭配启停系统的电机都经过功率加强，然而12V的车用电压就显得“心有余而力不足”，造成启停系统频繁工作时震动大、反应慢；而且停车熄火后，空调也跟着不工作了，大大影响了用户体验。于是更大电压的48V系统就应运而生了。
?上汽大通 国内首款柴油48V轻混

上汽大通发布的全新技术，其实大家并不陌生。即，在发动机基础上增加了48V轻混系统。而且这套48V轻混还是采用的BSG电机，作为P0端的电机形式，在电气化内卷的背景下，也属于不太受待见的技术路径。当然，对于在柴油机上增加48V轻混，本身尚属于比较先进的范畴。



以国内首款柴油48V轻混系统，上汽大通MAXUS轩辕动力系统2.0T上汽πBi-Turbo双增压柴油发动机48V混动架构的柴油轻混动力技术.

先来了解下48V轻混，核心部件有哪些组成：



图中就是轩辕动力系统的几个核心部件，包括了2.0T上汽π双增压柴油发动机、法雷奥48V BSG电机、博世8.4Ah 48V三元锂电池以及博世2.5kW 48V-12 V DCDC电源转换器、以及国内首款柴油机专用48V轮系核心部件：双向张紧器，可以在不同的工况下实现48V电机功能。

《媒体宣传：车辆的48V轻混系统采用了法雷奥48 BSG电机，搭配专用的双向张紧器，高达3倍的轮系速比，进一步放大了48V BSG的输出扭矩，有效的提升了柴油动力低速扭矩特性，当48V电池有电时，由BSG启动发动机，车辆的启动变得更加平顺，启动时间从传统的0.6秒缩短为0.3秒，启动噪音减少10-15dB；而有了电动机的协助，动力系统扭矩提升30%以上，车辆在30%-50%中小油门以下起步加速度提升33%以上；0-100km/h加速时间缩短0.4秒。

除了性能方面，燃油经济性也进一步得到了提升，在高速工况下，发动机多余扭矩驱动48V电机充电蓄能；WLTC工况燃油消耗节省可达8%，而Nox排放在RDE测试中最多可降低50%以上。

电机





48V 电机包括电机和控制模块。

48V 电机：启动更加迅速平稳，加速助力，制动时能对电池充电。

48V 电机控制模块：通过 CAN 总线获取控制所需的整车信息，告诉 48V 电机何时启动、助力或为电池充电。内部集成了 AC/DC 电源转换器。



48V轻混系统主要有两种布局

第一种是：采用BSG电机。BSG即皮带驱动式启动机／发电机，是通过皮带与发动机连接的，位于发动机前端（P0）。这种比较常见。

第二种是：ISG，即集成式智能启动驱动发电机，电机的转子直接与曲轴相连，位于发动机后端（P2）的48V轻混系统。

同时BSG电机也叫P0电机，P0电机是什么？

请看下图，P代表电机位置(Position),电机的位置决定了是P几。P0就是和发动机整合在一起的电机。



P0:位于发动机前端，通过皮带与曲轴连接；

P1:位于发动机曲轴上；

P2:位于发动机与变速箱中间；

P3:位于变速箱后端，与发动机分享同一根轴，同源输出；

P4:位于无动力车轴，直接驱动车轮：

Ps(也称P2.5):位于双离合变速箱内部，与发动机各分享一个离合器。

那么P0结构有啥好处？

简单说：结构简单, 成本低
电池



48V 锂电池是包含十二个锂离子电芯的电池系统。电芯，电池外壳

一个电池控制和监视单元（BCSU），一个继电器，一个保险丝，一个分流电阻和几个温度传感器。48V 锂电池设计寿命10年20万公里。　






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电池散热







电源转换器





功能：控制48V电池给低压12V蓄电池充电，以保证正常行车时低压用电设备能正常工作。

充电逻辑：点火开关ON时，检测到12V蓄电池电量过低时，可以通过DCDC给12V蓄电池充电。



48V低压DC-DC转换器框图



皮带张紧器



传统车型发电机主要用来发电，被动旋转，通常采用单向皮带张紧器。

BSG电机处于发电时候，由发动机拖动。

BSG电机处于做工时候，则拖动发动机。皮带受力点会发生变化，既要保证BSG电机处于发电时候-皮带不打滑，又要保证BSG电机处于做工时候-皮带也不打滑。所以采用了双向张紧器设计。
系统工作

除开不能单独纯电驱动车辆之外，这套48V轻混系统具备和一般HEV混动系统一致的功能-----包括启动、起步助力、滑行/制动能量回收、发动机工况优化等等，总体来说，就是让动力系统更快、更顺。

48V 电机的工作方式可以分为5种操作模式:









看下图：



比如在加速场景下，48V电池为BSG电机供电(最大电流320A),帮助其为2.0T发动机助力-----最大助力扭矩能接近156牛·米，差不多相当于发动机峰值扭矩输出的三分之一，对于车辆的加速有很大的帮助。



而在制动/滑行的情况下，BSG电机通过车辆的反拖，可以变身发电机为48V锂电池充电-----在WLTC工况下，大概可以回收780wh的能量，可以用于车辆驱动等再次利用，而没有混动系统的车辆就把这部分能量白白浪费了。


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接下来随便找个ecu数据来看下：



柴油车的扭矩来源于油量，基本可以理解为：扭矩=油量，油量=扭矩。查看基于喷射量的限制曲线，可以看到不同转速区域下的最大喷油量，结合发动机基本图转换扭矩/数量MAP图，就可以计算发动机的扭矩。



发动机基本图转换扭矩/数量MAP图。



经过数值分析，该机型扭矩转速范围1500-2800左右。怠速至1500转则为扭矩上升阶段。通常发动机宣传的扭矩为最大扭矩。内燃机在低转速区域由于增压器尚未起压，通常该转速区域发动机扭矩并不大（除非上科技-电动涡轮）。开过手动档的司机都有明显感受，一辆随便跑100多码的车，起步时如果油离配合不好-就会熄火。

并且相同马力下的发动机，排量越小，低转速区域扭矩越小。那为啥厂家不喜欢做大排量发动机？因为排放压力太大不好做，成本太高。

要想让用户更满意，同时控制成本，权衡利弊下采用48V轻混BSG电机，在低转速区间，可以不靠排气推动涡轮，这就可以解决涡轮起压和迟滞的问题。搭载BSG电机的车型可以做到在等红绿灯发动机停机的时候带动空调的机械压缩机运转，实现发动机启停、制动能量回收发电，以及辅助动力输出。

车辆起步或加速时，BSG电机能够辅助发动机运转，帮助发动机快速摆脱低效工作区间达到扭矩转速范围。虽然BSG电机扭矩看起来不大，可发动机低转速区域扭矩本来就小，所以加速动力提升效果还是有的。
智能启停

当车辆行驶过程中遇到红绿灯或需要停止时，智能启停功能将关闭发动机，当检测到有起步等需求时，发动机自动启动，此功能能改善汽车的燃油经济性，减少排气污染并能减少停车等待时的怠速噪音。





智能启停使用方法：
上电后，智能启停功能自动打开。智能启停开关，布置在开关面板上，用于关闭和打开轻混系统的怠速起停功能，按键采用点触式开关，开关上带有指示灯。该开关指示文字带OFF，开关指示灯亮时表示怠速启停功能关闭，开关指示灯灭时表示怠速启停功能打开。

智能启停控制原理图:









为何48V电压上限？

如果仅考虑车载电器需求，相信电池可能存在24V、36V等诸多选择可能，不需要一下子拔高到4倍那么夸张。但如果这套系统涉及到动力系统，那么对电池电压的要求就会相对升高。那么为什么是48V呢，究其原因主要有三点：

1）法规约束：电动汽车安全标准”ECE-R100“规定，电压超过60V，触电时会对人体产生严重影响。换言之，60V是最高的安全电压，可以不用采取额外的电压防护。而48V电池充电的最高电压为56V，已经很接近60V了。



2）成本限制：超过60V，线束及连接器等需要额外增加绝缘防护；同时，半导体部件耐压超过100V时也会导致成本迅速上涨，而48V电源恰好可将耐压控制在100V以下。

3）技术影响：综合看来，搭载混合系统的汽车电器中电流至少需要提高至100A以上，总功率超过3KW。而48V可以提供130A以上的电流，电机功率可以达到5-15KW。

为啥不用12V电压驱动呢？？针对这个问题，我们得先从一般车辆上的 12V电压说起。我们知道，功率=电压×电流，如果要输出轻混所需的 10kW~20KW功率，使用 12V的话则电池的输出电流需要达到 1000A，显然行不通。于是，提高电压就成了最可行的办法。最终综合成本和效果来权衡，选中了48V。在之前奥迪做过12V轻混，不过受制于电压，输出功率限制太严重了。
故障处理













总结

从技术角度来看不管是BSG还是ISG，都是只能实现弱混。电机的主要作用是用来回收发动机的能量。在提供额外的辅助动力，并不能单独驱动汽车，所以降低油耗的效果并不明显。

目前，很多插混油电混动的车型都会把P0，或者是P1电机作为混动系统中的一部分。比如汽油丰田本田的油电混动是P1+P3, 比亚迪的DM3.0有P0+P3, P0+P4, P0+P3+P4三种组合。单纯的依靠BSG或者是ISG的48V轻混，虽然也能提高燃油经济性，但是终归还是弱混，轻混。随着各类混动技术的不断发展，48V轻混已经不能算是非常优秀的技术了。当然更好的技术也需要用户花更高的成本来买单。就看取舍/定位在哪里了。

可变截面涡轮很好，我知道。

可变压缩比很好，我也知道。

HEV强混系统更好，我更知道。

因此，选择48V电压，是成本、安全、时间、性能等综合考量的结果。
电气化趋势

发展趋势：

工程车市场有三大关键趋势：

1.电气化：由严格的排放法规驱动。

2.操作者的舒适度：受政府安全法规和生产力要求的驱动。

3.自动化/远程驱动：受生产力、效率和安全要求的驱动。



图1：工程车市场的大趋势

为何采用混合动力电气化？

重型车辆用于城市地区的建筑和土方活动。通常，作业地点在低排放或零排放区。严格的排放和噪音标准，以及减少油耗的需求，促使工程车制造商和一级供应商采用电气化。这些重型车辆能耗大，导致需要对电池大量投资，成本增加，因此完全电气化的方式目前在经济上并不可行。因此，制造商们采取了轻度混合动力方式，以符合当前的排放和噪音标准。

电气化对这个细分市场意味着什么？

1.节省多达10-12%的燃料成本。

2.减少多达12%的CO2排放量。

3.燃油能效高达17%。

4.减少噪音污染

5.增强操作者的安全性和舒适性。

在典型的混合动力工程机械中，如图2所示，液压和辅助电力负载等高功率功能由48V电池高效供电，由强大的48V发电机充电，类似于混合动力汽车。这种方式可在负载减少期间进行能量回收，更高效地利用内燃机动力。



图2：三相电机驱动架构

OEM和一级供应商采用48 V方案，无需大量投资，就可解决以下应用：

l辅助和液压系统的48 V发电和储能，如电动风扇、电动涡轮模式、电动工作液压系统、电动AC压缩机、电动回转驱动器（挖掘机）以及48 V转12 V DC-DC转换

l水泵

l电动助力转向系统

l动力总成轻度/混合动力

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