汽車48V系統(tǒng)技術(shù)應用淺析

隨著國家對車輛油耗和排放標準的進一步提高，節(jié)能減排成為個汽車企業(yè)需要共同面對的課題。48V系統(tǒng)具有投入低、節(jié)能減排明顯的特點，能夠明顯提高車載電源功率，成為近期汽車行業(yè)研究的熱點。本文將以汽車48V系統(tǒng)的發(fā)展和應用著手，簡單為大家呈現(xiàn)48V系統(tǒng)現(xiàn)狀和未來趨勢。

1.48V系統(tǒng)的發(fā)展和背景轎車電氣平臺發(fā)展歷程

1970前--1970s

6V系統(tǒng)--12V系統(tǒng)

推動1：電氣化部件大量集成

推動2：6V系統(tǒng)不能滿足車用電器功率要求

結(jié)果：車用電氣平臺升級

1990s--42V系統(tǒng)構(gòu)思

目的：應對未來汽車電氣化趨勢(尋求3倍以上的電壓)

主要參與者：美國

標準：SAE會議進行了一定討論

結(jié)果：失敗，但某些部件保留42V電壓

42V系統(tǒng)失敗原因

- 完全的架構(gòu)革命，需要車內(nèi)所有電子元件進行革新

- 成本產(chǎn)出不理想，市場無法接受

- 未能帶來理想的節(jié)能效果

- 12V架構(gòu)調(diào)制良好，且取得了一系列節(jié)能方面的進展

2000s--12V系統(tǒng)

回歸12V系統(tǒng)

啟停技術(shù)出現(xiàn)

2010s-48V系統(tǒng)提出

推動1：歐洲2020年95g/km法規(guī)壓力

推動2：啟停技術(shù)將12V系統(tǒng)承載能力推到極限

主要參與者：德國

標準：48V系統(tǒng)標準LV148

2010后-48V系統(tǒng)整合完善

- 通過DC/DC轉(zhuǎn)換器，將48V系統(tǒng)集成在原有12V系統(tǒng)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(xiàn)是48V技術(shù)發(fā)展的契機

- 節(jié)油效果明顯(NEDC工況10%-15%)

嚴格的節(jié)能法規(guī)推動48V系統(tǒng)發(fā)展

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

車用電器的不斷集成推動48V系統(tǒng)發(fā)展

12V系統(tǒng)所能提供的功率極限在3kw-4kw;

通過不斷降低已有電氣裝備的功率需求，可以滿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(tǒng))后，12V系統(tǒng)承載能力達到極限，需要新電氣平臺的構(gòu)建。

的發(fā)展促進48V系統(tǒng)的應用

為什么選擇48V系統(tǒng)

48V系統(tǒng)具有較大節(jié)能潛力

開發(fā)低壓系統(tǒng)收效很小，電壓過高則成本和法規(guī)無法接受，48V是最好選擇

2.48V系統(tǒng)架構(gòu)與原理

現(xiàn)階段48V系統(tǒng)架構(gòu)

利用DC/DC轉(zhuǎn)換裝置，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)12V/48V雙電壓架構(gòu)，分別驅(qū)動不同元件。

48V系統(tǒng)在混合動力汽車上的應用

在混合動力汽車上搭載48V系統(tǒng)，通過兩個DC/DC轉(zhuǎn)換器，形成12V-48V-HEV電氣系統(tǒng)架構(gòu);

普通混合動力汽車的電氣架構(gòu)是12V-HEV模式，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器直接聯(lián)通12V系統(tǒng)和HEV高壓系統(tǒng)。

由12V/48V雙電壓系統(tǒng)到48V單電壓系統(tǒng)

隨著48V系統(tǒng)不斷推廣，汽車電氣系統(tǒng)將逐漸由12V/48V雙電壓系統(tǒng)過渡到48V單電壓系統(tǒng)，以滿足車用電器的功率需求和電氣系統(tǒng)架構(gòu)簡單化需求。從某種層面上講，48V系統(tǒng)是過渡系統(tǒng)，隨著EV和FCV的發(fā)展，高電壓電氣系統(tǒng)會不斷投入應用。

48V系統(tǒng)的節(jié)能原理

48V系統(tǒng)可以為更多先進節(jié)能技術(shù)提供集成平臺的基礎(chǔ)，從而達到節(jié)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(tǒng)下，啟停技術(shù)的應用已經(jīng)達到極限(功率為3kw)，無法集成其他高功率消耗的節(jié)能技術(shù)。而在48V系統(tǒng)下，隨著各種先進節(jié)能技術(shù)的應用，可達到10%-15%的節(jié)油效果。

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

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

另一方面，更低的電流意味著可以應用更細的導線，對整車的輕量化設(shè)計促進效果明顯。

3. 48V系統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)與設(shè)計建議

安全電壓控制

由奧迪、寶馬、戴姆勒、保時捷和大眾物價德國廠商與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(shè)定了54V和52V電壓限制，以留出電壓波動區(qū)域。

能量管理的挑戰(zhàn)

在能量管理方面，該系統(tǒng)也面臨著能量轉(zhuǎn)換、能量儲備和能量流動以及效率和穩(wěn)定性的問題。

電弧放電

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

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

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

串聯(lián)電弧放電(熱插拔)

接地失效

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

該問題通常的解決思路是將48V子系統(tǒng)與12V子系統(tǒng)線路分開設(shè)計并無連接，如果線路無法分開，則在兩系統(tǒng)間的線路上設(shè)計高壓阻斷裝置。

雙電壓系統(tǒng)CAN總線通訊

為保障數(shù)據(jù)通訊流暢，CAN總線要求兩端輸入電平相同。

電磁兼容EMC

48V系統(tǒng)較12V系統(tǒng)有較大的電壓升高，電磁兼容的要求就會更高，所以在雙電壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器和導線布置中，必須考慮電磁兼容的設(shè)計。

其他挑戰(zhàn)

※成本控制

- 研發(fā)投入

- 復雜的電器結(jié)構(gòu)的開發(fā)

- 浮動成本

※重量增加

- DC/DC轉(zhuǎn)換器重量

- 48V電池的重量

- 增加的線圈重量

※維護成本

4.48V系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

48V系統(tǒng)的應用區(qū)間

未來10年，啟停技術(shù)和混合動力技術(shù)將急速發(fā)展，這些技術(shù)正是48V系統(tǒng)的最佳應用區(qū)間。

推廣48V系統(tǒng)帶來的影響

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

各廠商對48V技術(shù)開發(fā)的投入變化

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

48V系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計、部件等都得到了很大的發(fā)展。

整車廠的應用

大眾公司

計劃于11月推出的2017款搭載48V系統(tǒng)的高爾夫GTI

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

未來大眾與大陸也會繼續(xù)探索48V系統(tǒng)在重混HEV和插電式PHEV上的應用。

5. 各國對48V系統(tǒng)的不同態(tài)度

歐洲--大力推行

由于歐洲嚴格的節(jié)能環(huán)保法規(guī)以及基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的技術(shù)積累，歐洲在占領(lǐng)未來48V市場方面也有較大的而潛力。

美、日--態(tài)度一般

共性阻力

CO2法規(guī)相對松弛

美國：2020年113g/km，2025年93g/km;

日本：2020年112g/km，2025年112g/km;

汽車電子廠商

美日技術(shù)路線與歐洲有所區(qū)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。

個性阻力

美國

42V系統(tǒng)的失敗令美國人在車用電氣系統(tǒng)改革方面更為謹慎;

日本

發(fā)展方向為混合動力技術(shù)，先進的混合動力技術(shù)可保證未來20年內(nèi)滿足法規(guī)要求。

中國--車企積極開展集成匹配，核心部件研發(fā)暫時空白

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