Всё, что нужно знать о грядущей 48‑вольтовой революции в автомобилях

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.

Но несмотря на все преимущества 48‑вольтовых систем, 12‑вольтовый аккумулятор, питающий фары, дворники и многое другое, в ближайшее время никуда не уйдёт. Вместо того чтобы заменить текущую электрическую архитектуру полностью (как это было в 90‑х годах, когда автоиндустрия подумывала ввести 42‑вольтовые системы), перспективная 48‑вольтовая система дополняет традиционную, что по сути представляет собой так называемый «мягкий гибрид». Другими словами, электромотор и 48‑вольтовая батарея просто добавляются к ДВС и нормальной 12‑вольтовой батарее. Нечто подобное можно было наблюдать на Buick LaCrosse и Saturn Aura начала 2010‑х годов.

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.

В то же время ещё более высокое напряжение аккумулятора может предложить ещё больше возможностей, однако федеральные стандарты требуют наличия дорогостоящих экранирующих оболочек, изоляционных каналов (во многих гибридах они оранжевого цвета) и коннекторов в любой автомобильной электрической системе напряжением более 60 вольт (превышение этого показателя официально попадает в категорию «высокое напряжение»). Удерживание напряжения ниже данного порога означает, что общая стоимость мягких гибридных систем может оставаться в пределах 800‑1200 долларов. Это важно, поскольку автопроизводители готовы платить 50‑100 долларов за каждый процент экономии топлива. С 10‑15% экономии мягкие гибриды как раз вписываются в этот диапазон.

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.

Эксперты автоиндустрии предсказывают, что число мягких гибридов к 2025 году вырастет в 9 раз и составит 14 млн автомобилей. Это отличные новости не только для компаний Delphi и Continental, но и для потребителей, которые получат больше топливной экономичности, больше высокотехнологичных электронных опций и больше перфоманса при относительно незначительных минусах для пространства и веса.