Mildhybrider i mildväder – 48V-system på framfart

skrivet av Helena Berg
Införandet av 48V-system är på gång hos flertalet fordonstillverkare och även underleverantörerna börjar ha färdiga system för massproduktion. System med högre spänningsnivåer än 12 V (och mindre än 60 V) i fordon är dock inte ett nytt fenomen. För ungefär 15 år sedan var industrin på väg att implementera 42V-system, men tekniken fick inte fäste på grund av flera orsaker, oftast inte relaterat till 42V-komponenterna.
De tyska fordonstillverkarna sitter sedan ett antal år tillbaka i förarsätet för utvecklingen.
I dagens nyhetsbrev sammanfattar vi ett axplock av nyheter från 2017.
Drivkraften lagkrav; Anderman skeptisk
Införandet av 48V-system drivs av CO2-lagkraven och på ett mer kostnadseffektivt sätt kapa bränsleförbrukningen genom återvinning av bronsenergi och start/stopp-funktionalitet. I dagsläget har man oftast två elsystem – 12 V och 48 V, där 12V-systemet är för kallstart och nödsystem (emerging loads). Denna lösning ses som en interimlösning och 12V-systemet kommer på sikt att fasas ut, i alla fall enligt Honda [1].
Tidigare i höst skrev vi om Andermans uppdatering av prognoserna för elfordon. Mildhybrider och 48V-system har Anderman genom åren varit mycket skeptisk till – lösningar ”without value” [2]. Han fokuserar mycket på PHEV och BEV i årets rapport, men inte helt och hållet [3]. 2020 tros ca 750.000 mildhybrider säljas, vilket är 2,5 ggr fler än idag. Europa är den absolut viktigaste marknaden för 48V-system och 2025 kommer andelen av alla sålda elektrifierade fordon vara 25%, jämfört med 2-7% i andra delar av världen.
Bränslebesparing på 15% och reduktion av NOx
Redan vid batterikonferensen Battery Power i Tyskland våren 2014 presenterade Continental data som visade på 11-18% bränslebesparing i verklig körning, och upp emot 27% vid stadskörning. Enligt NEDC-cykeln blev besparingen knappt 15%. Så det finns potential att spara en hel del bränsle till en låg kostnad.
Andra fördelar kan vara t.ex. NOx-reduktion. Österrikiska forskare presenterade i höstas resultat där de studerat hur ett ISG-system med 48V-batteri påverkar NOx-utsläppen och fann att man kan minska NOx med 9% (raw engine out emissions) samtidigt som bränsleförbrukningen sjönk med 4,5% [4]. Resultaten pekar på en potential att sänka kostnaderna och minska komplexiteten för NOx-fälla och SCR-systemet.
Batterisystemens utformning: USABC har kravbilden klar
Bosch sätter nu ett 48V-batteri i massproduktion med start om ca. ett år [5]. Det är ett batteri i konfigurationen 12s1p, dvs. 12 celler i serie och 1 parallell sträng (totalt 12 celler alltså), och använder sig av 8 Ah NMC-celler. Batteripacket väger 7 kg och har en toppeffekt på 13 kW.
Valet av celler och hur många är ett litet pussel för att matcha kravet på användbar energi och inte överstiga 60 V, dvs. gränsen för många elsäkerhetsstandarder m.m. Med en NMC och en maximal spänning på 4,3 V per cell bli det maximala antalet celler 13. Dock är det ur ett designmässigt perspektiv mer attraktivt att ha ett jämt antal celler. Vidare spelar cellernas kapacitet roll hur många man väljer för att energiinnehållet ska vara attraktivt. För LFP-celler är det mer attraktivt att ha 13 celler, även om ett ojämnt antal celler. Detta för att energiinnehållet ska bli högre och på grund av den något lägre cellspänningen. Om man däremot utgår från LTO-baserade celler där cellspänningen är avsevärt lägre är det optimala antalet celler 18-20 celler beroende på vilket katodmaterial som används.
Enligt de analyser som Anderman gjort bör cellerna ha en kapacitet på 7-14 Ah, och vara av ’HEV-karaktär’, dvs. ett mycket högt förhållande power-to-energy 3. Lite grovt räknat har en helelektrisk bil ett power-to-energy-förhållande runt 2, och en HEV på 10-20. För ett 48V-system kan förhållandet vara ännu högre. Anderman visar i sin rapport från ifjol kostnadsdata för en Li-joncell på 5 Ah för HEV-applikationer, dvs något mindre än det han rekommenderar, och en sådan cell skulle kosta 504 $/kWh [3].
Amerikanska fordonstillverkarnas intresseorganisation för bl.a. batterier, USABC, har enats om en kravställning för 48V-batterier [6]. Effekter på 9-11 kW måste kunna levereras och den tillgängliga energin ska vara minst 105 Wh. Ett pack får inte väga mer än 8 kg och spänningen ska hållas inom 52-38 V.
Marknadsintroduktioner – Tyskland tar ledningen
Mercedes kommer erbjuda 48V-system för deras bilar i E-klass: en fyrcylindrig bensinmotor i kombination med ett 48V-system ger samma prestanda som en sexcylindrig motor, men bränsleförbrukningen är lägre i 48V-lösningen [7]. Även Mercedes S-klass ska utrustas med 48V-system från och med 2018. Bränslebesparingen tros bli 10-15% [8]. Även Audi satsar och kommer med A7 Sportback – en V6 plus ett 48V-system som sänker bränsleförbrukningen med ca. 10% [9].
Citaro, Mercedes bussbolag, kommer med en 48V-lösning där systemet bygger på två moduler med vardera 16 superkondensatorer. Detta tillsammans med en ny elektrohydraulisk styrning säker bränsleförbrukningen med 8,5 %. Jämfört med en dieselvariant av bussen ökar totalvikten med 156 kg [10].
Jämfört med den europeiska marknaden är 48V-lösningar mindre attraktiva i USA. Enligt Anderman har både GM och Honda fått dra tillbaka fordon 3. Mitsubishi visade upp en ISG-lösning med 48 V vid Tokyo Motor Show tidigare i år [11], en lösning som är redo för massproduktion och bygger på samma koncept om Mercedes har.
Celltillverkaren A123, med produktion i tjeckiska Ostrava, har med deras senaste HEV-cell som klarar urladdning vid -30°C lyckats attrahera kinesiska SAIC och GM att köpa 2,6 miljoner celler till 48V-system för ett värde av 1 miljard USD [12,13].
Egna kommentarer
Det har varit mycket snack om 48V-lösningar och de kommer nog på bred front inom kort. Ett förhållandevis lätt och billigt sätt att sänka bränsleförbrukningen. För konsumenten torde detta vara en billigare lösning.
För batteritillverkarna är det nog mindre attraktivt om man ska både hålla både HEV- och EV-optimerade celler i produktion. Antagligen kommer 48V-celler inte produceras i stora mängder av LG Chem och Samsung, utan det kan finnas en marknad för t.ex. LFP- och LTO-tillverkare.
Detta nyhetsbrev var ett axplock av de senaste nyheterna. Har du intressanta vinklingar på 48V-system får du gärna tipsa oss.
Referenser
[1] 48V vehicle systems becoming significant länk
[2] 48 volt lithium drive trains have arrived länk
[3] Total Battery Cobsulting länk
[4] CPT, TU Wien study finds 48V mild diesel hybrid cuts engine-out NOx 9%, 4.5% fuel economy improvement länk
[5] Bosch introduces new 48V Li-ion pack for mild-hybrids; production in 2018 länk
[6] USCAR länk
[7] Mercedes-Benz introducing new 4-cylinder engine with 48V system and GPF in E-Class länk
[8] Facelifted Mercedes S-Class to get new 48V mild hybrid tech
länk
[9] New Audi A7 Sportback features mild-hybrid system as standard; V6s with 48V system länk
[10] Daimler Buses introduces Citaro hybrid bus; available on diesel and gas models; separate 48V network länk
[11] Mitsubishi Electric Begins Mass-producing Auto Industry’s First Crankshaft ISG System for 48V Hybrid Vehicles länk
[12] Lithium begins its 12 volt push länk
[13] A123 wins contract to supply batteries for SAIC-GM
länk