奔馳48V車載電氣系統剖析（一）

阿 偉

梅賽德斯-奔馳汽車在乘員舒適性領域首屈一指。過去幾年里，通過如快速座椅加熱器、扶手加熱、熱石按摩和電熱杯座功能進一步增強了舒適性，在業界的影響力是無與倫比的。 但是，舒適性功能越多，車輛對電能的需求也隨之增加，數十年來使用的12V車載電氣系統，現用于為轎車提供電能。對于帶電傳動功能的車輛，如混合電能車輛，電傳動基于高壓車載電氣系統。48V車載電氣系統則彌補了12V車載電氣系統和高壓車載電氣系統之間的不足。48V車載電氣系統的電壓直接定位為最大 60V直流（DC）的接觸保護法定限值。 48V車載電氣系統無須高壓車載電氣系統的高安全性和個人保護措施。48V車載電氣系統并未替代之前的12V車載電氣系統，而是在其基礎上進行了延伸。同時，其電壓是12V車載電氣系統的4 倍，從而在相同的電流強度下可獲得 4 倍的輸出功率。采用48V車載電網蓄電池（G1/3），車輛整體的可用電容量增加，因此車輛未行駛時，可以有更多的能量用于創新客戶功能，例如在線服務。通過某些系統例如發動機靜謐啟動等進一步提高了駕乘舒適性，且通過附加措施減少了二氧化碳（CO2）排放。

圖11 12V和48V車載電氣系統

1.采用48V車載電氣系統

數十年來，現代轎車的電能由12V車載電氣系統提供,在高達15V的電壓范圍下進行工作。較高的額定電壓導致在所需電源升高的情況下電流逐漸增大，缺點是供給線路的橫截面厚且鉛蓄電池重。正常情況下,12V車載電氣系統幾乎不向新型用戶功能提供電量儲備。在過去幾年中，由于混合動力車輛的開發和引入，形成了所謂的高電壓車載電氣系統。高壓提供用于驅動車輛的高電功率。由于采用了高于60V的直流電壓，高壓車載電氣系統需要特殊的安全和防護措施。48V車載電氣系統的電壓直接定位為最大60V直流（DC）的接觸保護的法定限值。因此高壓車載電氣系統可在不需要安全和保護措施的情況下使用該電壓。通過采用鋰離子蓄電池，48V車載電氣系統在發動機運轉時允許最大16kW的功率，在高壓車載電氣系統不需要額外保護措施的情況下大大擴展了電氣設備的可應用性。48V車載電氣系統并未替代之前的12V車載電氣系統，而是在其基礎上進行了延伸。其電壓比12V車載電氣系統高四倍，并在相同電流的情況下產生四倍于12V車載電氣系統的可用電力。由于這個原因，12V車載電氣系統實際上保持不變。僅由48V/12V直流/直流轉換器供電，而非12V發電機。由于12V車載電氣系統對故障安全性能的要求很嚴格，因此,繼續采用12V蓄電池，盡管有時會比之前的電量小。直流/直流轉換器向12V車載電氣系統供電，因為采用了 48V 車載電氣系統，無須改裝12V用電設備。與未裝配48V車載電氣系統車輛中的12V用電設備沒有差別。直流/直流轉換器也可向另一方向傳送能量，即從12V到48V，例如可通過用于12V蓄電池的充電器或來自供電車輛的充電器對 48V蓄電池進行再充電。處于靜止階段時，48V車載電氣系統關閉。駕駛員一旦啟用車輛中的點火開關，48V車載電氣系統也隨之啟用。發動機通過集成式啟動機發電機（ISA）或皮帶驅動啟動機發電機（BSA）啟動。行程結束且發動機關閉后，某些功能仍需48V車載電氣系統繼續運行。這些后續事件完成后，關閉48V車載電氣系統。之前的12V車載電氣系統通過48V車載電氣系統進行擴展，如圖1所示。

圖2 48V車載電氣系統部件（車型222）

圖3 48V車載電氣系統部件（車型238）

2.裝配256發動機的車型222中的48V車載電氣系統簡介

48V車載電氣系統將首先應用在裝配新型六缸火花點火式發動機的車型 222 的改款車型中。從開發此款發動機開始就已將48V車載電氣系統考慮在內。因此，可以省去皮帶驅動，因為之前通過皮帶進行機械驅動的所有用電設備可借助于 48V車載電氣系統進行驅動。12V發電機和12V啟動機替換為集成式啟動機發電機（ISA），其置于發動機和變速器之間。除了發電機功能，其也可使用來自 48V車載電網蓄電池的能量生成扭矩以輔助發動機。ISA 和48V車載電網蓄電池的高輸出功率可讓您幾乎感知不到發動機啟動,可使用以下功能：

◆電動輔助壓縮機

◆48V冷卻液泵

◆電動制冷劑壓縮機

◆加熱式擋風玻璃

在減少油耗的同時,發動機與48V車載電氣系統的相互作用使車輛產生更好的響應性，發動機可實現高性能冷卻，還會為乘客提供額外的舒適感，例如在發動機關閉時保持智能氣候控制。

車型222中48V車載電氣系統的部件概述，如圖2所示。

3.裝配264發動機的車型238中的48V車載電氣系統簡介

48V車載電氣系統還應用于車型238中。新型四缸火花點火式發動機264將采用皮帶驅動啟動機發電機（BSA），而非12V發電機和啟動機。除了發電機功能，其也可使用來自48V車載電網蓄電池的能量生成扭矩以輔助內燃機。在低發動機轉速甚至減少發動機排量的情況下，傳動系統通過額外的電磁扭矩也可以產生較大扭矩。同樣，裝配發動機264的情況下，發動機與48V車載電氣系統的相互作用使車輛產生更好的響應性，使發動機啟動更快更平順并減少油耗。

48V車載電氣系統還可向發動機264提供極高的功率密度，因為可使用輸出功率約為 950W的48V的冷卻液泵進行冷卻。

車型238中48V車載電氣系統的部件概述，如圖3所示。

4.48V車載電氣系統的進一步發展

對于未來的梅賽德斯-奔馳車型，48V車載電氣系統將提供更高效的電能，從而成為減少梅賽德斯-奔馳車輛油耗的主要途徑。同時用戶也可使用新功能。

48V車載電氣系統中的電壓范圍，如圖4所示。

圖4 電壓范圍

5.集成式啟動機發電機（ISA）

與發動機256 配合使用的新型傳動系統的亮點是采用了集成式啟動機發電機（ISA）。其由帶電力電子裝置的電機，直流/直流轉換器和鋰離子48V車載電網蓄電池組成。電力電子裝置位于錐形齒輪啟動機（不再安裝使用）的安裝位置。

在P1布局中（如圖5所示），集成式啟動機發電機（ISA）用螺栓剛性連接到曲軸上，安裝在發動機和9速自動變速器（9G-TRONIC）之間，通過與48V車載電氣系統配合使用，集成式啟動機發電機（ISA）產生最大16kW的輸出功率和220N·m的扭矩。產生的能量供至單獨的48V車載電網蓄電池。發動機和集成式啟動機發電機（ISA）的配合使用提高系統性能的同時，降低了燃油消耗，此外，還新增了其他附加功能。集成式啟動機發電機（ISA）還減少了傳動系統的扭轉震動，從而舒適性增強。

圖5 P1布局

圖6 P0布局

6.皮帶驅動啟動機發電機（BSA）

在新型四缸火花點火式發動機264 的某些供電類型中，啟動機和12V發電機被皮帶驅動啟動機發電機（BSA）代替。

在P0布局中（如圖6所示），皮帶驅動啟動機發電機（BSA）替代了皮帶驅動裝置中的發電機。除發電機功能外，皮帶驅動啟動機發電機（BSA）還會利用 48V 蓄電池的電能產生扭矩，從而為發動機提供支持。扭矩可能是正向也可能是反向，從而使發動機有效運轉，并將多余的能量存儲到蓄電池中。通過產生的正向額外扭矩，在發動機轉速較低甚至排量很小時傳動系統也能產生較大的扭矩。通過發動機和48V車載電氣系統的配合使用實現了有效運轉，從而降低油耗和二氧化碳（CO2）的排放量，同時明顯改善了車輛的響應性。此外，發動機的啟動速度和舒適性也明顯提高。

圖7 長時停車

圖8 短時停車

7.發動機啟動ISA和BSA

發動機啟動由ISA或BSA執行。不同類型的啟動（鑰匙啟動、啟動/停止系統、滑行模式啟動等）都不會產生震動，因此駕駛員幾乎不會感知到啟動情況。ISA 或 BSA 能使發動機快速進入怠速狀態，或者，如果踩下加速踏板，能使發動機快速達到相應的目標轉速。

ISA 還會使曲軸移至便于發動機機啟動的有利位置（可多次舒適啟動)。通過該定位，可在啟動期間執行帶動態控制的扭矩補償，起初ISA便知道下次壓縮的具體時間并可通過動態控制功能相應調節所需的扭矩。從而補償壓縮階段由于發動機活動困難造成的轉速波動。

8.啟動/停止ISA和BSA。

啟動/停止系統的功能范圍已經擴展，以便提高車輛的運行效率。系統的設計在用戶友好性方面得到大幅提升。現在車輛會對需要長時停車和短時停車做出辨別。通過使用ISA或BSA只能避免由于改變主意造成的傳動系統震動。 處于發動機關閉滑行的超速運轉模式時，變矩器在啟動期間轉變為加速模式的情況下會產生這些震動。ISA或 BSA 以特殊方式促動，以避免啟動轉速曲線產生任何震動。

（1）長時停車（如圖7所示）

需要長時停車時，如果先前的平均車速較高且未執行轉向操作，則在車速低于20km/h時發動機會關閉。相應地，雷達接口會對長時停車進行檢測，如果檢測到本車前方有其他車輛，則也會關閉發動機。

（2）短時停車（如圖8所示）

通過避免短時停車和挪車時發動機停止，增強了系統的舒適性。如果先前的平均車速較低且執行了轉向操作，則僅在再次踩下制動踏板時停止發動機。此外，如果雷達接口檢測到前方車輛正在行駛，則在未踩下制動踏板時會阻止發動機停止。此時還會考慮標志（如停止信號）以及坡度和交叉路口情況,并通過實時交通信息將交通堵塞信息作為影響因素。

（待續）