48 вольтовый стартер генератор что это
С каждым годом автомобили становятся всё более сложными и высокотехнологичными. Связанные с этим растущие требования по электропитанию, а также строгие экологические нормы приводят к поголовному распространению 48‑вольтовых электрических систем. Эксперты ожидают, что к 2025 году эта технология займёт своё место в пятой части всех проданных в мире автомобилей.
Сама по себе технология не совсем новая. Но популярность 48‑вольтовые системы набирают по двум основным причинам: в первую очередь они помогают автомобилям подстроиться под регламент вредных выбросов за счёт экономии топлива, а во вторую — обеспечивают больше энергии для новомодных автомобильных функций. Посмотрим, как эта технология работает на примере двух крупных поставщиков автокомпонентов — Delphi и Continental.
За последнее десятилетие автопроизводители заменили традиционные компоненты с механическим приводом на более эффективные узлы, как то: электроусилители руля, электрические вакуумные насосы тормозной системы, электрические водяные насосы и так далее.
Кроме того, автопроизводители также добавляют в машину тонны новых информационно-развлекательных опций и вспомогательных систем безопасности (адаптивный круиз‑контроль, система слежения за разметкой, система мониторинга мёртвых зон). Плюс у вас подогреваются сиденья, руль и лобовое стекло. Излишне говорить, что стандартные 12‑вольтовые системы при этом находятся на грани истощения. Как раз в этот момент активизируются 48‑вольтовые системы, призванные помочь удовлетворить потребность в дополнительной бортовой сети.
Это особенно актуально для люксовых автомобилей. Bentley Bentayga, например, использует 48‑вольтовую батарею, чтобы питать электрическую систему стабилизаторов поперечной устойчивости для лучшей управляемости, а в Audi ею питается электрический нагнетатель.
Данная технология также может быть огромным подспорьем при старте автомобиля. Например, разработка компании Delphi под названием E‑charger, установленная в режиме испытаний на 1,6‑литровую дизельную Honda Civic, раскручивает турбину во время остановок и при низких оборотах двигателя, позволяя устранить турболаг и сгладить дефицит крутящего момента. Система обеспечивает до 25% больше момента и до 30% больше ускорения.
Таким образом, 48‑вольтовая архитектура может поддерживать больше электронных девайсов в автомобиле, а также гарантировать более высокую производительность под капотом.
В основном структура мягких гибридов состоит из трёх основных компонентов: ременного стартера‑генератора или блока мотор‑генератор (MGU), преобразователя напряжения постоянного тока и аккумулятора высокого напряжения. Эти три компонента легко адаптируются к электрическим системам негибридных автомобилей. Стартер‑генератор заменяет традиционный генератор на приводе вспомогательных агрегатов спереди, а преобразователь и аккумулятор занимают небольшое количество пространства в багажнике.
Всё это делает 48‑вольтовые мягкие гибриды относительно дешёвой, простой и легковесной альтернативой обычным гибридам. За 30% цены обычной гибридной силовой установки вы получаете 50‑70% его производительности. Эти цифры преобразуются в топливную экономичность порядка 10‑15%.
Компания Continental подтверждает эту цифру, говоря о 13%‑ной экономии топлива в режиме испытаний. В реальных условиях этот показатель может достичь 21%, что является огромной выгодой для такой простой и легко реализуемой системы.
В 48‑вольтовых системах Continental и Delphi используется литий‑ионный аккумулятор размером с обувную коробку (чёрный блок на фото внизу) и ёмкостью менее 1 кВт⋅ч. Он подаёт ток на маленький 12‑вольтовый свинцово‑кислотный аккумулятор посредством расположенного в багажнике преобразователя (серебристый блок с вентилятором), который снижает напряжение для питания 12‑вольтового оборудования автомобиля.
Может возникнуть вопрос: а почему именно 48 вольт? Всё сводится к соотношению мощности и цены. 48‑вольтовая батарея может обеспечить в 4 раза больше энергии, чем 12‑вольтовая, то есть она может использоваться для питания множества прилично потребляющих механизмов — вентиляторов, насосов, компрессоров, которые теперь могут работать более эффективно. Кроме того, снижаются размеры и вес проводки.
Как и обычный генератор, стартер‑генератор MGU соединён с коленвалом двигателя с помощью ремня с той лишь разницей, что 48‑вольтовый блок часто имеет жидкостное охлаждение и специальные натяжители, обуславливающие тот факт, что крутящий момент будет как исходящим, так и входящим.
В первом случае MGU мощностью примерно 13,5 л. с. функционирует как мотор, получая ток от литий‑ионной батареи в багажнике через преобразователь, меняющий постоянный ток на переменный.
Затем он вращает бензиновый или дизельный двигатель через приводной ремень. Он либо запускает ДВС после кратковременной остановки (12‑вольтовый стартер остаётся для холодного пуска), обеспечивая ему дополнительные 135 Н⋅м для лучшего ускорения и снижая вибрации запуска, либо уменьшает нагрузку на двигатель в других стратегических ситуациях для экономии топлива.
Однако MGU работает не только как мотор, посылающий крутящий момент на коленвал. Как следует из названия, это ещё и генератор, принимающий крутящий момент для выполнения своей основной обязанности — выработки электроэнергии для 48‑вольтового аккумулятора в задней части машины. Это происходит не только тогда, когда двигатель работает и крутит ремень, но и когда двигатель выключен, а машина едет накатом или тормозит.
Как уже было сказано, 48‑вольтовые системы набирают популярность ввиду экологических требований, особенно в Евросоюзе и Китае, где к 2020 году нормой будет выброс 117 грамм CO₂ на километр, а к 2021 году — уже 95 г.
Работа узлов от 48 вольт вместо 12 выгоднее не только из‑за уменьшения потерь (по этой же причине человечество передаёт электроэнергию по линиям высокого напряжения), но и из‑за того, что насосы и вентиляторы работают эффективнее при более высоком напряжении. Ещё более важно то, что 48‑вольтовая система обеспечивает достаточно энергии, чтобы питать устройства, традиционно питаемые от ремня вспомогательных агрегатов.
Отцепка от двигателя таких компонентов, как водяные насосы или кондиционер, уменьшает паразитное сопротивление и позволяет этим компонентам устанавливать свои собственные рабочие циклы на основе потребностей автомобиля и клиента, а не на основе числа оборотов двигателя.
Представим себе такую ситуацию: самый разгар зимы, и вы буксируете прицеп в гору на 4000 об/мин. На обычной машине водяной насос с приводом от двигателя будет работать очень быстро и прогонять большое количество охлаждающей жидкости. Но поскольку на улице холодно, в таком сильном потоке ОЖ нет необходимости. Таким образом, с электрическим водяным насосом вы теоретически экономите энергию за счёт его сдерживания на основе реальных требований к охлаждению.
48‑вольтовое питание быстрее разогревает катализаторы в выхлопной системе дизелей, что также снижает уровень выбросов. Учитывая всё вышесказанное, мы убеждаемся, что преимущества этой системы простираются далеко за пределы 10‑15%‑ной экономии топлива.
Низковольтные гибриды сегодня активно разрабатывают Volkswagen, Renault и некоторые другие автопроизводители. Например, Группа PSA недавно заключила соглашение о сотрудничестве с бельгийской компанией Punch Powertrain, известным разработчиком и поставщиком трансмиссий для гибридов и электрокаров.
Ожидается, что к 2025 году на долю мягких гибридов придется 18 % мирового рынка легковых и легких коммерческих автомобилей массой до 6 тонн. Для сравнения: сегодня гибриды составляют 6 %, plug-in-гибриды — 3 %, электрокары — 3 %.
Предусмотрена зарядка от внешнего источника, как в подключаемом гибриде.
ГЕНЕРАТОР КАК МОТОР
85-киловаттный мотор-генератор Bosch SMG180.
Электрическая энергия, которая накапливается в батарее, может быть использована и для прочих имеющихся на борту мощных потребителей, таких как кондиционер, отопитель, вентилятор системы охлаждения двигателя. Кроме этого, инженеры уже сегодня решают задачи будущего с учетом роста энергонасыщенности современных автомобилей. К 12-вольтовой бортовой сети литий-ионный аккумулятор подключается через конвертер. К слову, в этой части решение не новое. Ранее системы электроснабжения на два уровня широко применялись в коммерческом транспорте (ЗиЛ-5301, ЛиАЗ-677).
Режим привода отображается на центральном дисплее.
Решение Continental сочетает индукционный двигатель с водяным охлаждением и встроенный инвертор.
Перспективная электрифицированная КП с двойным сцеплением — hybrid DT2 и 48‑вольтовым приводом разработана Punch Powertrain.
Для экономически эффективного производства системы в больших количествах Continental разработал новые процессы производства электрических двигателей. Например, обмоточный медный провод для статора не наматывается, а поставляется в виде отдельных отрезков. В сочетании с инновационной технологией соединения подобное решение не только улучшает процесс автоматизации, но и увеличивает плотность размещения материала, что позволяет добиться более высоких результатов на той же установочной площади.
МОТОР К ТРАНСМИССИИ
Эта концепция MHEV в настоящее время является одним из наиболее экономичных решений для реализации приводов повышенной мощности, предлагая динамические характеристики электропривода на уровне эффективности, близком к нынешним высоковольтным гибридам.
Это может существенно повлиять на выбросы CO2 в автомобиле, и мягкие гибриды начинают появляться в автомобильной промышленности, от маленьких супермини до больших роскошных внедорожников.
Согласно последним исследованиям рынка, 50% всех гибридов, проданных к 2025 году, будут мягкими гибридами.
Как работает мягкий гибридный автомобиль?
Блок 48 вольт также подает питание на гибридный двигатель и нагнетатель, позволяя автомобилю ускоряться быстрее и плавнее. В некоторых моделях Audi высокого класса, система 48 В может выключать двигатель автомобиля на время до 40 секунд при движении накатом.
При приближении к светофору или перекрестку с круговым движением, когда сигнал становится зеленым или появляется разрыв, и вы отпускаете тормоз, двигатель внутреннего сгорания запускается немедленно. После этого автомобиль может без промедления разогнаться.
Преимущества мягкой-гибридной системы 48 вольт
Одно из ключевых преимуществ мягкогибридных систем — это повышенная топливная эффективность и снижение уровня загрязнения. Инженерная фирма Delphi, разработавшая мягкую гибридную систему на 48 вольт, заявляет, что она может предложить 25% увеличение крутящего момента на низких оборотах, повышение топливной эффективности на 10-15% и сокращение выбросов CO2 на 25%.
Обычно каталитический нейтрализатор полагается на двигатель, чтобы довести его до рабочей температуры. Использование двигателя для его нагрева требует времени, но благодаря системе 48 вольт это можно сделать быстрее, что снижает выбросы выхлопных газов.
Мягкие гибриды против полных гибридов
Мягкий гибрид по ощущениям отличается от обычного автомобиля?
Не сильно. Большинство систем улучшают функцию старт-стопа автомобиля. Это означает, что вы можете остановиться накатом без мощности двигателя. Двигатель внутреннего сгорания по-прежнему полностью управляет автомобилем, хотя аккумулятор может оказывать дополнительную помощь при ускорении.
Вы также можете почувствовать небольшую разницу при торможении, поскольку системы используют рекуперативное торможение для подзарядки мягких-гибридных аккумуляторов. Например, когда вы поднимаете дроссельную заслонку, автомобиль может замедлиться, как если бы тормозное давление уже было подано.
На прошлой неделе Volkswagen объявил, что принесет гибридную систему в Golf следующего поколения, когда Mk 8 прибудет в будущем году. Но это мягкая гибридная система, подобная той, которую Audi расширяет по своей линии, а не полная гибридная система, предлагаемая автомобилями, такими как Toyota Prius или Volkswagen Jetta. Итак, что такое мягкая гибридная система от Volkswagen Group и как работает?
Мягкая система, иначе микро-гибридная, использует гораздо меньший блок батарей, чем большой гибрид, с с более низким напряжением и небольшим или отсутствующим чисто электрическим диапазоном. Вот почему ее называют мягким гибридом. Это своего рода гибрид, но не полный. Немного электричества, никакого жира. Или стоимость.
Когда автопроизводители начали говорить об электрификации сей своей линейки, они в основном имели в виду этот тип гибридной системы, а не EV или полностью гибридную систему. Этот мягкий метод дешевле и проще, но он по-прежнему дает результаты экономии топлива.
Полно-гибридные системы могут использовать более 300 вольт, чтобы обеспечить еще большую мощность, так почему же умеренные гибриды идут с 48? Ответ прост: безопасность. Согласно действующим нормативам, если напряжение превышает 60 вольт, то для высоковольтных проводов требуется более жесткое экранирование, что значительно увеличивает их стоимость. Таким образом, 48 — это самое высокое напряжение, которое можно использовать без дополнительных затрат. Автопроизводители по-прежнему могут использовать проводку такого же размера, что и обычные автомобили.
Стартер-генератор представляет собой большой электродвигатель с приводом от ремня, прикрепленного к коленчатому валу двигателя. Думайте о нем как о большом электрическом нагнетателе, установленном там, где раньше находился генератор переменного тока. И в отличие от электрических турбонагнетателей с листовой воздуходувкой, которые вы видели по телевизору поздним вечером, они действительно работают. Потому что вместо добавления воздуха они добавляют мощность напрямую, поворачивая ремень. В случае гибрида Audi A8, эта система добавляет 16 л.с. к мощности двигателя. Это не крошечный ремень генератора, а широкий и жесткий ремень, который может переносить передачу мощности. Но эта дополнительная движущая сила — не главное.
При езде по шоссе очень мало энергии на самом деле нужно, чтобы привести в движение автомобиль. Поэтому, если вы двигаетесь со скоростью от 34 до 100 миль в час, можно совсем выключить двигатель. Он перезапускается без проблем, если вы запрашиваете большую мощность, чем двигатель может выдать.
Кроме того, в дополнение к плавному повторному запуску двигателя, электродвигатель ускоряет работу при низких оборотах двигателя. Поскольку пиковый крутящий момент достигает максимума, как только двигатель начинает вращаться, электродвигатель может повысить ускорение до того, как двигатель начнет вращаться. Так что нажимайте на газ при свете, и электродвигатель увеличивает ускорение, пока двигатель не войдет в диапазон мощности.
Таким образом, в основном мягкая гибридная система работает, используя накопленную электрическую мощность для выключения двигателя в ситуациях, когда это действительно не нужно, но не может выключиться без электрического усиления. Она также помогает на низких скоростях, чтобы улучшить управляемость автомобилей. Вопрос в том, сколько топлива она сэкономит?
Гибридная система не экономит огромное количество топлива, но и не является незначительной. Ауди говорит, что экономия составляет около половины галлона на 100 миль. Этого достаточно, чтобы заметить больше разницы в насосе, чем затраты на технологии, которые нужно добавить в машину. В чем тогда смысл? Большая экономия топлива, такая как в EV, полно-гибридных авто или еще в каких-либо новых технологиях, которые еще предстоит разработать, обходится дорого. Это может сделать автомобили слишком дорогими. Небольшие изменения, такие как эта мягкая гибридная система, помогают восполнить пробел, пока другие технологии экономии топлива развиваются и становятся дешевле.
Илья Хлебушкин
Ш естицилиндровые рядные моторы Mercedes-Benz — это классика, они ведут свою историю начиная с модели Mercedes 24/100/140 середины 20-х и заканчивая двигателем М104 образца 1989 года. Который в 1997 году заменили семейством М112 в V-образном исполнении.
Так что же теперь заставило Штутгарт вновь вспомнить про рядность? Главным образом экология! Точнее, то, что в сентябре 2017 года Европейская комиссия планирует ввести вместо прежних сертификационных циклов оценки расхода топлива и выбросов более приближенные к реальности процедуры WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures), о которых мы рассказывали два года назад.
Стартер-генератор работает при напряжении 48 В, что подразумевает наличие соответствующего дополнительного аккумулятора
Вспомогательный электрокомпрессор BorgWarner малоинерционен: до 70000 оборотов в минуту раскручивается за 300 миллисекунд
У двухлитровой турбочетверки М264 точка термостатирования сравнительно невысока: 97 градусов (для сравнения, у моторов BMW она достигает 115 градусов), что при объеме поддона в 6,5 литра должно положительно сказаться на ресурсе и масла, и самого мотора. Под агрегатом турбонаддува — электропомпа Magna
Из-за перемены направления вращения в приводе стартер-генератора натяжитель ремня с двумя роликами. Сам ремень широкий, семиручьевой — и, по заверениям инженеров, не предполагающий замены в течение всего срока службы
У битурбонаддувного четырехлитрового V8 появились новый индекс М176 и система отключения половины цилиндров при малых нагрузках — в диапазоне от 900 до 3250 об/мин
Nein, машут руками мерседесовские инженеры! Мы, говорят, пойдем другим путем. Малолитражные бензиновые моторы будут — но на основе блока М264, только с меньшим диаметром цилиндров (так вот для чего вспомнили про чугунные гильзы!). А трехцилиндровым, мол, имеет право быть только smart, а не Mercedes. И это радует.
Читайте также: