汽車(chē)48V系統技術(shù)應用淺析

隨著(zhù)國家對車(chē)輛油耗和排放標準的進(jìn)一步提高，節能減排成為個(gè)汽車(chē)企業(yè)需要共同面對的課題。48V系統具有投入低、節能減排明顯的特點(diǎn)，能夠明顯提高車(chē)載電源功率，成為近期汽車(chē)行業(yè)研究的熱點(diǎn)。本文將以汽車(chē)48V系統的發(fā)展和應用著(zhù)手，簡(jiǎn)單為大家呈現48V系統現狀和未來(lái)趨勢。

1.48V系統的發(fā)展和背景轎車(chē)電氣平臺發(fā)展歷程

1970前--1970s

6V系統--12V系統

推動(dòng)1：電氣化部件大量集成

推動(dòng)2：6V系統不能滿(mǎn)足車(chē)用電器功率要求

結果：車(chē)用電氣平臺升級

1990s--42V系統構思

目的：應對未來(lái)汽車(chē)電氣化趨勢(尋求3倍以上的電壓)

主要參與者：美國

標準：SAE會(huì )議進(jìn)行了一定討論

結果：失敗，但某些部件保留42V電壓

42V系統失敗原因

- 完全的架構革命，需要車(chē)內所有電子元件進(jìn)行革新

- 成本產(chǎn)出不理想，市場(chǎng)無(wú)法接受

- 未能帶來(lái)理想的節能效果

- 12V架構調制良好，且取得了一系列節能方面的進(jìn)展

2000s--12V系統

回歸12V系統

啟停技術(shù)出現

2010s-48V系統提出

推動(dòng)1：歐洲2020年95g/km法規壓力

推動(dòng)2：?jiǎn)⑼＜夹g(shù)將12V系統承載能力推到極限

主要參與者：德國

標準：48V系統標準LV148

2010后-48V系統整合完善

- 通過(guò)DC/DC轉換器，將48V系統集成在原有12V系統上，避免了革命性的變更

- 48V/12V雙總成電壓技術(shù)的積累

- 鋰電池和超級電容的出現是48V技術(shù)發(fā)展的契機

- 節油效果明顯(NEDC工況10%-15%)

嚴格的節能法規推動(dòng)48V系統發(fā)展

到2020年，各國CO2排放法規都限定在100g/km左右。歐洲在節能控制方面一直走在前面，美國、中國逐漸趕上。

車(chē)用電器的不斷集成推動(dòng)48V系統發(fā)展

12V系統所能提供的功率極限在3kw-4kw;

通過(guò)不斷降低已有電氣裝備的功率需求，可以滿(mǎn)足一定量的新電器裝備集成;

加入功率需求較大的電氣裝備(如啟停系統)后，12V系統承載能力達到極限，需要新電氣平臺的構建。

的發(fā)展促進(jìn)48V系統的應用

為什么選擇48V系統

48V系統具有較大節能潛力

開(kāi)發(fā)低壓系統收效很小，電壓過(guò)高則成本和法規無(wú)法接受，48V是最好選擇

2.48V系統架構與原理

現階段48V系統架構

利用DC/DC轉換裝置，實(shí)現電氣系統12V/48V雙電壓架構，分別驅動(dòng)不同元件。

48V系統在混合動(dòng)力汽車(chē)上的應用

在混合動(dòng)力汽車(chē)上搭載48V系統，通過(guò)兩個(gè)DC/DC轉換器，形成12V-48V-HEV電氣系統架構;

普通混合動(dòng)力汽車(chē)的電氣架構是12V-HEV模式，通過(guò)DC/DC轉換器直接聯(lián)通12V系統和HEV高壓系統。

由12V/48V雙電壓系統到48V單電壓系統

隨著(zhù)48V系統不斷推廣，汽車(chē)電氣系統將逐漸由12V/48V雙電壓系統過(guò)渡到48V單電壓系統，以滿(mǎn)足車(chē)用電器的功率需求和電氣系統架構簡(jiǎn)單化需求。從某種層面上講，48V系統是過(guò)渡系統，隨著(zhù)EV和FCV的發(fā)展，高電壓電氣系統會(huì )不斷投入應用。

48V系統的節能原理

48V系統可以為更多先進(jìn)節能技術(shù)提供集成平臺的基礎，從而達到節能效果。而48V承載功率提升到15kw左右，可提供更多減排技術(shù)的集成。

在目前的12V系統下，啟停技術(shù)的應用已經(jīng)達到極限(功率為3kw)，無(wú)法集成其他高功率消耗的節能技術(shù)。而在48V系統下，隨著(zhù)各種先進(jìn)節能技術(shù)的應用，可達到10%-15%的節油效果。

由于48V系統通電電流位12V系統的1/4，所以等功率下的功率損失較12V系統減少也非?？捎^(guān)，功率損失是12V系統的1/16。更低的功率損失，電氣系統的總體效率大大提升，解除了功率限制，可以對車(chē)用電器進(jìn)行更精細的控制，提升其性能。

另一方面，48V系統可以提供諸如能量回收系統、自動(dòng)啟停系統等更多的功能集成，滿(mǎn)足人們越來(lái)越高的需求。同時(shí)，鋰電池充放電性能更佳，啟停系統的應用效果更好。

另一方面，更低的電流意味著(zhù)可以應用更細的導線(xiàn)，對整車(chē)的輕量化設計促進(jìn)效果明顯。

3. 48V系統技術(shù)挑戰與設計建議

安全電壓控制

由奧迪、寶馬、戴姆勒、保時(shí)捷和大眾物價(jià)德國廠(chǎng)商與2011年制定的LV148標準中，電子元件正常工作電壓為36V-52V，高于60V的電壓被嚴格禁止，為了達到這一限值標準，設定了54V和52V電壓限制，以留出電壓波動(dòng)區域。

能量管理的挑戰

在能量管理方面，該系統也面臨著(zhù)能量轉換、能量?jì)浜湍芰苛鲃?dòng)以及效率和穩定性的問(wèn)題。

電弧放電

在并聯(lián)電路中，當能量達到2900J，兩條通電線(xiàn)路之間有很小的接觸的時(shí)候容易發(fā)生電弧放電。

在串聯(lián)電路中，當在48V電路工作中進(jìn)行熱插拔時(shí)，也會(huì )發(fā)生電弧放電。

目前并聯(lián)的電弧放電智能通過(guò)合理的電路設計來(lái)避免，串聯(lián)電弧放電需要在電路中引入電容器來(lái)避免。

串聯(lián)電弧放電(熱插拔)

接地失效

雙電壓系統中，高壓模塊接地失效后，電流直接通過(guò)低壓模塊與地面接觸，會(huì )對低壓模塊部件造成損壞。

該問(wèn)題通常的解決思路是將48V子系統與12V子系統線(xiàn)路分開(kāi)設計并無(wú)連接，如果線(xiàn)路無(wú)法分開(kāi)，則在兩系統間的線(xiàn)路上設計高壓阻斷裝置。

雙電壓系統CAN總線(xiàn)通訊

為保障數據通訊流暢，CAN總線(xiàn)要求兩端輸入電平相同。

電磁兼容EMC

48V系統較12V系統有較大的電壓升高，電磁兼容的要求就會(huì )更高，所以在雙電壓系統的轉換器和導線(xiàn)布置中，必須考慮電磁兼容的設計。

其他挑戰

※成本控制

- 研發(fā)投入

- 復雜的電器結構的開(kāi)發(fā)

- 浮動(dòng)成本

※重量增加

- DC/DC轉換器重量

- 48V電池的重量

- 增加的線(xiàn)圈重量

※維護成本

4.48V系統未來(lái)發(fā)展趨勢

48V系統的應用區間

未來(lái)10年，啟停技術(shù)和混合動(dòng)力技術(shù)將急速發(fā)展，這些技術(shù)正是48V系統的最佳應用區間。

推廣48V系統帶來(lái)的影響

48V系統可以帶來(lái)系統部件的優(yōu)化、更多附件和作動(dòng)器的電氣化以及諸如后輪轉向系統的新功能的加入，而且可以帶來(lái)較好的節能減排效果。但48V系統并不會(huì )帶來(lái)特別大的成本壓力，主要壓力仍是各種功能性電氣部件的集成成本。

各廠(chǎng)商對48V技術(shù)開(kāi)發(fā)的投入變化

2014年，53%以上的廠(chǎng)商加大了對48V技術(shù)的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，各廠(chǎng)商也開(kāi)始尋求技術(shù)合作，共同開(kāi)發(fā)48V系統。

48V系統相關(guān)設計、部件等都得到了很大的發(fā)展。

整車(chē)廠(chǎng)的應用

大眾公司

計劃于11月推出的2017款搭載48V系統的高爾夫GTI

該車(chē)將搭載大陸公司的48V/12V電氣系統，具有智能能量回收系統、加速輔助系統、進(jìn)階啟停系統和不同行駛狀態(tài)的驅動(dòng)策略。

未來(lái)大眾與大陸也會(huì )繼續探索48V系統在重混HEV和插電式PHEV上的應用。

5. 各國對48V系統的不同態(tài)度

歐洲--大力推行

由于歐洲嚴格的節能環(huán)保法規以及基于傳統內燃機汽車(chē)的技術(shù)積累，歐洲在占領(lǐng)未來(lái)48V市場(chǎng)方面也有較大的而潛力。

美、日--態(tài)度一般

共性阻力

CO2法規相對松弛

美國：2020年113g/km，2025年93g/km;

日本：2020年112g/km，2025年112g/km;

汽車(chē)電子廠(chǎng)商

美日技術(shù)路線(xiàn)與歐洲有所區別，技術(shù)投入方向不同，導致美日供應商與德國供應商的技術(shù)水平有一定差距。

個(gè)性阻力

美國

42V系統的失敗令美國人在車(chē)用電氣系統改革方面更為謹慎;

日本

發(fā)展方向為混合動(dòng)力技術(shù)，先進(jìn)的混合動(dòng)力技術(shù)可保證未來(lái)20年內滿(mǎn)足法規要求。

中國--車(chē)企積極開(kāi)展集成匹配，核心部件研發(fā)暫時(shí)空白

目前國內整車(chē)企業(yè)在48V系統上有搭載測試，但是我國汽車(chē)電子供應商實(shí)力相對薄弱，在自主研發(fā)領(lǐng)域暫時(shí)空白。未來(lái)在環(huán)境、能源和法規的壓力和中國汽車(chē)智能化的大力推進(jìn)的環(huán)境下，48V系統在國內具有非常大的應用潛力。