С каждым годом автомобили становятся все 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 займет свое место в пятой части всех проданных в мире автомобилей. Сама по себе технология не совсем новая. Давайте выясним, как она работает.

Обозреватели портала Jalopnik решили связаться с двумя крупными поставщиками автокомпонентов – Delphi и Continental, чтобы понять, как действуют эти 48-вольтовые системы и почему они становятся популярными. Все сводится к двум причинам: в первую очередь они помогают автомобилям подстроиться под регламент вредных выбросов, а во вторую – обеспечивают больше энергии для новомодных автомобильных функций.

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 мертвых 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.

Вице-президент Delphi по инжинирингу Мэри Густански подчеркивает, что данная технология может быть огромным подспорьем при старте автомобиля. Их собственная разработка E-charger, установленная на Honda Civic, раскручивает турбину во время остановок и при низких оборотах двигателя, позволяя устранить турболаг и сгладить дефицит крутящего момента. Она обеспечивает до 25% больше момента и до 30% больше ускорения.

Таким образом, 48-вольтовая система может поддерживать больше электронных девайсов в автомобиле, а также гарантировать более высокую производительность под капотом.

Несмотря на все преимущества 48-вольтовых систем, 12-вольтовый аккумулятор, питающий фары, дворники и многое другое, никуда не уйдет в ближайшее время.

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 ее, 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 трех основных компонентов: ременного стартера-генератора или блока мотор-генератор (MGU), преобразователя постоянного тока в постоянный 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.

Все это делает 48-вольтовые мягкие гибриды относительно дешевой, 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%.

Continental соглашается, говоря о 13% экономии 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-ионная батарея размером с обувную коробку (черный блок на фото внизу) и емкостью менее 1 кВтч. Она подает ток на маленькую 12-вольтовую свинцово-кислотную батарею посредством расположенного в багажнике преобразователя (серебристый блок с вентилятором), который снижает напряжение для питания 12-вольтового оборудования автомобиля.

А почему именно 48 вольт? Густански рассказала, что все 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.

Густански признает, что еще более высокое напряжение аккумулятора может предложить еще больше возможностей, однако федеральные стандарты требуют 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 соединен 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 инвертор, 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 остается для холодного пуска), обеспечивает ему дополнительные 135 Нм для лучшего ускорения и снижает 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 еще 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 СО2 на километр, а к 2021 – уже 95 г.

Работа узлов от 48 вольт вместо 12 выгоднее не только из-за уменьшения потерь (по этой же причине человечество передает электроэнергию по линиям высокого напряжения), но и из-за того, что насосы и вентиляторы работают эффективнее при более высоком напряжении. Еще 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 большие количества 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 счет его сдерживания на основе реальных требований к охлаждению.

Густански также упомянула, что 48-вольтовое питание быстрее разогревает катализаторы в выхлопной системе дизелей, что также снижает уровень выбросов. Учитывая все вышесказанное, мы можем убедиться, 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 Delphi и Continental, но и для клиентов, которые получат лучшие цифры экономии, больше высокотехнологичных электронных опций и больше перфоманса при относительно незначительных минусах для пространства и веса.