48V轻度混动系统威力究竟几何?

从1997年丰田推出第一代普锐斯开始,混合动力的概念就开始在消费者之中口耳相传开来。当然,这里车辙君所说的混合动力不是指那台二战时期费迪南德·保时捷博士脑洞大开的电传动坦克底盘,也不是调侃某德系品牌的汽油机油混合动力,而是实打实的为传统内燃机施加电力魔法的油电混动系统。

丰田混动系统经历了3代的发展,目前最新的第四代普锐斯搭载的是THS-3系统

中东地区对于资源争夺的战事频频,全球石油价格飙升,让所有人都无比担心人类有一天会把地球母亲的黑色血液抽干净。相对于喝着燃油振动不断还放出黑色臭屁的内燃机而言,使用润物细无声的电能安安静静干活的电动机就像是一位优雅的绅士,在不断的昭示人类自己才是未来的主宰。不过相对于电动机这个喝着红酒的优雅绅士,人类对于电能的储存技术仍旧处于刀耕火种的野蛮人时代。各种层出不穷的新技术电池因为稳定性原因难以走出实验室,而那些走出实验室的电池大部分的性能也难以让人满意。当然,也有厂商不顾一切的强行推行新产品,不过结局注定是悲惨的,嗯,说的就是你,三星Note7。

混合动力似乎是一个从内燃机车过渡到纯电动车的桥梁。当电能储存技术差强人意,而内燃机又逼近理论极限的时候,混合动力成为了各家车企面对日益严苛的排放标准时的一根救命稻草。但是,饭要一口一口吃,路要一步一步走。就算这座桥梁已经在我们的面前,我们如何登上这座桥梁,仍旧是一个难题。

1. 混合动力系统仍旧存在问题

对于汽车而言,电动机是现成的,电池也是现成的,怎么把他们加到汽车上才是最关键的问题。

传统内燃机车的动力总成布置是非常成熟而且模式化的。从后排座椅下面的油箱开始,发动机吸溜吸溜不断喝下从油泵送来的燃油,然后把输出的动力通过离合器送给变速器,变速器把速度调节到合适的范围后送给车轮,车轮旋转推动汽车前进,整个系统简明而清晰。但是混合动力系统,粗略的说可以分为并联混动,串联混动以及混联混动,细分来说,任何一个厂商的方案都是不同的。就连混动三神车,就算他们具有不分上下的赛道成绩,但三辆神车的混动系统布置方案也是完全不同的。

三大神车,虽然结构各异,但是都代表了高性能汽车未来的发展方向

不仅是布置方案上的不统一,这些混动汽车对于电池的保护,以及控制策略的匹配也是个大问题。众所周知,相对于安分守己的燃油,电池可以说是个傲娇的大小姐。天气太冷太热都会罢工,长时间不用或者频繁充放电还会削弱电池的性能。为了让电池能够在低温下工作,冷启动的时候需要消耗额外的燃油为电池加热,而天气太热的时候又需要消耗能量为电池散热。同时,为了尽量延长电池的寿命,BMS(电池管理系统)的设计可是让一众汽车工程师熬出了一脑袋白头发。

就算电池的问题解决了,这些电池的输出电压高达200-300V,如何在狭小的环境里做好电磁屏蔽与高压保护又给电气工程师出了难题。就算保护措施做好了,电池自己肥胖而沉重的身躯会让整车的重量大增,无形中反而又增加了对于总功率的需求。说白了,还是电池能量密度低,对工作环境要求苛刻的“锅”。

但是政客们和环保主义者并不在意这些。在极端的环保主义者看来,汽车这个不停地吸着地球母亲的血并且把他们转化成废气的机械野兽简直就不该出现在这个世界上。就算电池技术再如何不堪,就算混合动力的布置再如何困难,面对越来越严苛的排放法规和日益高涨的性能需求,混动这个魔法,没有条件创造条件也要上了。

不过车辙君自己的观点是,在电池技术发展处于瓶颈的今天,暂且不说纯电动汽车会不会一定是未来的选择,至少混合动力汽车是未来发展的必经之路。受制于热力学定律,内燃机正在不断地接近自己的物理极限。20世纪末的保时捷旗舰车型,918的祖爷爷959,“仅仅”拥有450匹马力的最大功率,而他的后代的最大功率已经达到了这个数的两倍。今天一台涡轮增压的四缸2.0T发动机都能够达到这个数据,说明内燃机的发展已经进步了许多,但是即使科尼赛格one:1能够凭借高增压压榨出的喝油怪物机器在直线加速赛上战胜三台混动神车,我们仍旧认为三神车是今天人类汽车工程成就的最高结晶,因为他们不仅代表了今天的技术,还指明了未来的方向。

2. 48V轻度混动系统的前身

通向纯电动汽车的桥梁——混合动力汽车并不是一个平直的公路桥,人们想要走上去仍旧需要付出相当的努力。纵观前面的介绍,我们可以发现,所有这些技术的开发,目的都是一个:减少油耗。因此,有两个技术就被开发出来了:发动机自动启停技术与制动能量回收技术。

在现行的油耗测试标准下,汽车在怠速期间消耗的燃油是要被计算在内的。这个时候发动机处于光吃饭不干活的状态,发动机起停技术能够让发动机在这段时候“断粮”,从而减少油耗。

但是这个技术在国内并没有什么人用,很多人上车之后就关了它。原因无非有两个:首先是国内的路况比较拥堵,常常有走走停停的情况。而很多时候,还会面临加塞与反加塞的小规模战斗,由于变道加塞者一般都要负事故的主要责任,因此这种局面往往变成了“谁刹车谁孙子”的斗气情况。而当前面车刹车灯灭掉开始缓缓前行的时候,自己的发动机却还没有启动,就很容易被隔壁虎视眈眈的人插了队。为了能够在无穷无尽的加塞争夺战里取得胜利,好胜的司机们决不在意自己是不是在等候的几秒内多消耗了几克汽油。这是一个原因,还有一个原因就是,现在的起停技术的NVH性能较差。NVH性能可以粗略理解为汽车的振动及噪声粗糙度性能。由于现在汽车的内部使用12V系统,启动电机的功率较小,容易增加发动机的启动时间,并且导致发动机在启动过程中出现较大的振动,会给人们带来不舒服的感觉,因此很多人会选择关闭这个鸡肋的自动起停功能。

加塞变道在我国属于常见的驾驶路况

至于制动能量回收技术,那就是另一个故事了。制动能量回收是指,将制动时候减少的机械能转化为其他形式的能量储存在汽车中供需要的时候使用。一般来说,制动能量回收有两个途径,一个是用车轮反拖电动机,从而让电动机的阻力辅助制动,并且把发出的电能储存起来。这一项技术并不是什么全新的产品,已经被广泛使用在了电力机车(就是火车)上许多年了。但是这种结构需要一个电池和对应的电气系统来回收,并且需要一个独立的发电机来转化能量,由于现在的12V启动电机过于弱小,无法很好的完成这个任务。二是使用飞轮储能,将高速旋转的车轮与飞轮直接连接,把能量储存在高速旋转的飞轮中,需要的时候释放出来。这一项技术目前只有在F1的KERS系统里面使用,因为飞轮的工作特性并不是十分适合于量产车上使用。

F1赛车上的KERS飞轮能量回收系统

说到底,由于传统的12V低压系统电力不足(低电压高功率会导致更大的能量损耗),导致自动启停系统的使用感受不佳,或者能量回收系统难以大范围应用。这个时候,提升车载电气设备的电压这一需求也就呼之欲出了。

3. 48V系统好处都有啥

到底48V混动系统能不能像金坷拉一样让能量不流失不浪费不蒸发呢?车辙君这就跟大家一起分析一下。48V系统是指,将整车的电气系统电压提升至48V,并且在车内使用一个容量约为1千瓦时左右的锂电池作为储能工具,并且使用更大功率的起停电机与发动机曲轴相连。这也是被称为“轻度混动”的48V系统的基本结构。

可能很多人都有印象,在有些比较老的车型上,发动机启动点火的时候整辆车的中控仪表灯,喇叭,甚至空调都会暂时停止工作,把能量输送给启动电机使用。在使用自动启停系统的汽车上,这样的情况可不能再出现了,不然堵车的时候频繁出现空调停摆,音乐没声的情况,会让其他乘客以为这辆车是不是坏了。现代汽车的电气设备越来越多,不仅仅是动辄十来个喇叭需要的巨大音箱功率,还有电控转向,纯液晶大屏仪表盘等等这些与驾驶息息相关的设备,这些设备绝不能因为启动电机对能量的贪婪而停止坚守自己的岗位。那么,使用更高的电压与更大功率的电机(15-20kW功率)能够实现在不影响车内这些设备的前提下,保证启动电机的正常工作。

另一方面,由于电机功率的提升,启动阶段的NVH特性(具体NVH是什么请往前翻)会得到极大的改善,发动机启动会变得更加平顺,并且,启动速度会显著加快。对于某些走走停停的区间,这套48V系统的控制策略上还可以仅凭借电动机的功率拖动车辆慢速前进而不必启动发动机,进一步提高燃油经济性。

48V混动电机布置位置示意图

除了起停性能的改善,这个直接连接在发动机曲轴上的电机,再也不是像那个羸弱的12V前辈一样无力承担制动能量回收系统的重任了。这个48V电机有足够的发电功率来应对制动能量回收系统从刹车盘源源不断送来的能量。当汽车ECU检测到驾驶员刹车的时候,就会停止发动机继续向外输出能量,并且将发动机、电动机与车轮连接在一起,一方面借助发动机运行阻力来为车辆减速,另一方面也能拖动电动机旋转从而将其转化为电能。在这两套系统的加持下,刹车片需要摩擦刹车盘减速的能量需求就少得多了。

而刚才提到的1千瓦时容量的更大的锂电池,也是经过精心设计,多方妥协的结果。电池太大了,需要更为严格的电磁屏蔽条件,另外,对于电池的保温和控制系统也会成为极大的挑战。同时,过大的电池还会在布置上产生问题。而电池过小则无法推动更为强大的电机和更多的车载电子设备。因此,这个电池的设计必须要“刚刚好”才可以,有足够的能量储存来自刹车系统的能量回收,并且能够驱动电机工作足够长的时间。

随着电能的逐渐提升,电力设备还能够提供的一个额外利好就是电动涡轮。众所周知,现在内燃机,尤其是小排量增压内燃机为了能够让涡轮尽早的发挥作用,纷纷开发了多级涡轮增压、机械/废气双增压、单涡轮双涡管、可变几何尺寸叶片等技术,可以说无所不用其极。但是,常见市售车的涡轮发动机还是存在一个问题就是高速超车的时候动力储备不足。这和涡轮的设计调校有关,其高效率区间是有限的,不可能全转速区间都能发挥最大的工作效率。这个时候,如果我们能用电动机在排气流量不足的情况下给废气涡轮助一把力,那么就能够让涡轮更好的把高效率区间放在高转速区域,从而提升全转速区间的工作效率。由于涡轮的转速非常之高,因此在没有高性能电动机与强大的电力系统驱动之前,这一项技术是很难真正普及到量产车上的。只有有了48V系统,这些技术设想才能变为现实。

4. 小步快跑地进入混动时代

48V系统之所以称之为轻度混动,是因为电动机在这其间极少直接单独负责驱动汽车,而更多的时候是作为能量回收工具,以及发动机辅助工具出现的。电力的魔法之所以不能够一下子为传统内燃机车黄袍加身,是因为在目前的技术条件下,我们对于电能的储存仍旧存在着各种各样的问题。就算是插电式混合动力汽车(PHEV),也需要整晚整晚的充电来喂饱那个傲娇的电池。而一旦电池能量不足的时候,纯凭借那个小得不能再小的内燃机拖动巨大的车身加电池组并且为电池充电,甚至会让驾驶员怀疑自己是不是在开儿童公园里的游乐车。所以,当目前的技术壁垒难以一下全面破解的时候,汽车工程师从轻度混动系统入手,才能逐渐的将混动技术开发成熟,让大家小步快跑地进入混合动力时代。

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