为什么欧洲人在推48V,而美国人却推出的是90V?

为什么欧洲人在推48V,而美国人却推出的是90V?
2019-01-24 00:00:00 小浴谈车

这个得从20年前开始讲,从上个世纪90年代开始,GM就确定了一条同步开发短期、中期、长期的新能源技术,最终实现汽车的电气化的技术路线。

为什么欧洲人在推48V,而美国人却推出的是90V?

以当年GM的体量,要搞就同时发力,全面出击,弱混强混插电纯电氢燃料电池一起上。弱混做为其中的一环,第一代产品在2006年就问世了,当时GM在Saturn的VUE Green Line Hybrid SUV上应用了名为BAS(Belt Alternator Starter)的36V弱混系统。所以,美国人也不是上来就弄90V的,低电压的弱混十年前就玩过了。

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这套系统按照混合动力的划分,属于P0的并联系统,在传统的动力总成上将12V启动电机换成了36V三相电机;增加了包含DCDC和Inverter等功率电子部件的BPIM以及相应的冷却系统;增加了一个风冷镍氢电池包以及一些控制模块。

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这个架构与现在的48V以及GM自己的后续产品已经没有什么大的差别了,在驾驶过程中,这套系统可以实现怠速停机,低速时纯电行驶,电机助力,滑行断油,制动能量回收等一系列功能,从而使综合油耗下降15%,并能将0-100的加速时间降低9%左右。

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在投产了这个系统之后,GM总结了经验,GM将弱混系统的开发目标定为:

1,提高燃油经济性

2,强力电机助力

3,成本尽量低

4,能与大部分已有的动力总成和整车平台兼容

并以此为指导方向开发了第二代的弱混系统。将系统电压从36V提高至了115V,大幅提升了电机助力和制动能量回收的能力。

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在定义了系统的需求之后,进一步考虑电池系统的寿命、成本,以及高压电缆的截面积,GM将第二代BAS系统,也就是eAssist系统的电压定为115V,并选配了一个风冷的锂电池,并与包含了DCDC和Inverter的BPIM集成在一起。与第一代的镍氢电池相比,功率更大,可用能量更多。

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与第一代的36V BAS系统相比,第二代的eAssist系统可以在更广的转速范围内提供扭矩输出,功率也更大。但是由于电压的提高,电机尺寸反而可以做的更小。

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匹配到整车上之后,对动力性的提升也是相当明显的。

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在这款车上市的同时,GM就已经着手开发第三代eAssist系统,在2013年初,在SAE的一篇报道中,总工Steve Poulos就指出了第三代eAssist的开发方向:降低成本,轻量化,完善细节,让更多的产品能够搭载弱混技术。用Steve的话来说“对于技术的发展要有长远的眼光和规划,我们需要做的是正确的事” ,GM是踏踏实实,一步一个脚印的积累关于新能源的各项技术,不管未来那种技术会成为主流,都有足够的技术储备。

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现在XT5 28E上搭载的就是第三代的弱混系统,该系统具有低速纯电行驶、电机助力加速、适时充电平衡电量、减速断油、制动能量回收等降低油耗的功能。其中,对油耗贡献最大的就是制动能量回收和减速断油。超过70%的油耗贡献是来自这两个环节的。

为什么欧洲人在推48V,而美国人却推出的是90V?

从燃油经济性的角度考虑,在某些驾驶循环,比如Japan10-15或者FTP Highway,第一代BAS系统的36V 6kW的电机就能够涵盖大部分制动能量回收的需求,但是在NEDC、FTP US06和FTP City工况下,需要更大的电机才能充分回收制动能量。另一方便,电机的能力越强,就越能改善滑行断油后突然加速时的驾驶质量,不会出现顿挫或者加速无力,没有了后顾之忧,就可以更早、更长范围的断油,从而节省更多的燃油消耗。从这个角度讲,系统电压越高,电机和电池的能力越强,对油耗的改善也就越大。

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此外,通过大量的仿真和试验,GM发现在上述工况下,由于采用较大的电机可以提供更大的加速辅助扭矩,因而整个系统可以选择更小一些的速比(2.64 vs 3.23),在制动能量回收时,发动机的转速更低,摩擦损失更小;可以回收的制动能量是低电压电机的3倍。

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多回收回来的这些能量又可以用于怠速停机,发动机启动,减速断油,加速辅助,巡航等工况,从而降低启动发动机进行充电的需求。

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因此,要充分发挥弱混系统的燃油经济性,就有必要在电流不变的情况下将系统电压提高。这也是GM将弱混系统定义为85V-115V的原因。

XT5 28E上搭载的第三代弱混系统,在第二代的eAssist系统的基础上做了大量的优化工作。将系统电压从115V降低到90V,电机的峰值功率从14kW降低到10kW。通过降低系统电压,可以显著的降低整套系统的成本,在工程开发上,BAS3系统体积更小,集成度更高,更适合在不同的车型上进行布置,匹配不同的动力总成。

与此同时,精心优化过的电机和控制使整套系统仍能保持与上一代系统相当的燃油经济性和动力性。在安全等级上,与GM其他的新能源车一样,都是按照同样的高压安全等级来进行设计,无论是在CNCAP还是IIHS的测试工况都能充分的保护车内乘员的安全和高压电路的完整。

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在这一代的弱混系统中,动力电池与BPIM拆分开来,降低了电池模块冷却的需求,选用一个更小一些的风扇,而BPIM移至前舱中,这样可以减少一些高压线缆的重量。同时,BPIM从上一代的风冷改为水冷,提升了冷却效率。这些都点点滴滴的改进弱混系统的燃油贡献。

与已经全系配置了启停系统的28T相比,搭载了第三代弱混系统的28E油耗从8.7L/100km降低到了7.9L/100km,节油效果毋庸置疑。

为什么欧洲人在推48V,而美国人却推出的是90V?

关于48V系统,我曾在另一个回答 Brandon Lu:为什么 48V 轻度混合动力比 24V 更省油?中详细阐述,我个人觉得,48V的主要优势在于,系统最大工作电压60V,刚好没达到GB/T 19751-2005《混合动力电动汽车安全要求》中对高电压的要求,因而系统设计时不用考虑很多高压安全的保护要求,成本上会降低很多,而且电池的峰值功率也能达到15kW,账面上的能耗表现也是可圈可点的,整套系统的成本却可以降低到3000-5000元,相当有竞争力。

不管是36V,48V,115V,还是现在的90V,都是工程师在推动汽车电气化的进程中的努力尝试,背后的技术其实大同小异,最后比拼的还是在整车上的表现与成本。这条路还远没走到终点,未来的竞争会更激烈。

参考资料:

[1] Goro Tamai, Mary Ann Jeffers, Chihsiung Lo, Cindy Thurston,Steven Tarnowsky and Stephen Poulos, Development of the Hybrid System for the Saturn VUE Hybrid, SAE Technical Paper 2006-01-150 2, 2006, doi:10.4271/2006-01-1502

[2] Shawn Hawkins, Fred Billotto, Daniel Cottrell, Alan Houtman, Stephen Poulos, Roger

Rademacher, Keith Van Maanen and Daryl Wilson, Development of General Motors' eAssist Powertrain, SAE Int. J. Alt. Power. 1(1):2012, doi:10.4271/2012-01-1039

[3] Next-gen eAssist aims at cost reduction, SAE Vehicle Electrification, pg 21-26, Jun26, 2013.

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