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汽車48V系統技術應用淺析
發布時間: 2017-04-10
隨著國家對車輛油耗和排放標準的進一步提高,節能減排成為個汽車企業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,能夠明顯提高車載電源功率,成為近期汽車行業研究的熱點。本文將以汽車48V系統的發展和應用著手,簡單為大家呈現48V系統現狀和未來趨勢。
1
48V系統的發展和背景
轎車電氣平臺發展歷程

1970前--1970s

6V系統--12V系統

推動1:電氣化部件大量集成

推動2:6V系統不能滿足車用電器功率要求

結果:車用電氣平臺升級

1990s--42V系統構思

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,需要車內所有電子元件進行革新

成本產出不理想,市場無法接受

未能帶來理想的節能效果

12V架構調制良好,且取得了一系列節能方面的進展


2000s--12V系統


回歸12V系統

啟停技術出現

2010s-48V系統提出


推動1:歐洲2020年95g/km法規壓力

推動2:啟停技術將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雙總成電壓技術的積累

- 鋰電池和超級電容的出現是48V技術發展的契機

節油效果明顯(NEDC工況10%-15%)

嚴格的節能法規推動48V系統發展

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。


車用電器的不斷集成推動48V系統發展



  • 12V系統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)后,12V系統承載能力達到極限,需要新電氣平臺的構建。


混合動力汽車的發展促進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

  • 開發低壓系統收效很小,電壓過高則成本和法規無法接受,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,實現電氣系統12V/48V雙電壓架構,分別驅動不同元件。


48V系統在混合動力汽車上的應用



  • 在混合動力汽車上搭載48V系統,通過兩個DC/DC轉換器,形成12V-48V-HEV電氣系統架構;

  • 普通混合動力汽車的電氣架構是12V-HEV模式,通過DC/DC轉換器直接聯通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48V系統不斷推廣,汽車電氣系統將逐漸由12V/48V雙電壓系統過渡到48V單電壓系統,以滿足車用電器的功率需求和電氣系統架構簡單化需求。從某種層面上講,48V系統是過渡系統,隨著EV和FCV的發展,高電壓電氣系統會不斷投入應用。


48V系統的節能原理

48V系統可以為更多先進節能技術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的集成。

在目前的12V系統下,啟停技術的應用已經達到極限(功率為3kw),無法集成其他高功率消耗的節能技術。而在48V系統下,隨著各種先進節能技術的應用,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系統減少也非常可觀,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,可以對車用電器進行更精細的控制,提升其性能。

另一方面,48V系統可以提供諸如能量回收系統、自動啟停系統等更多的功能集成,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,對整車的輕量化設計促進效果明顯。

3
  48V系統技術挑戰與設計建議


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,設定了54V和52V電壓限制,以留出電壓波動區域。


能量管理的挑戰

在能量管理方面,該系統也面臨著能量轉換、能量儲備和能量流動以及效率和穩定性的問題。

電弧放電

在并聯電路中,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生電弧放電。

在串聯電路中,當在48V電路工作中進行熱插拔時,也會發生電弧放電。

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


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子系統與12V子系統線路分開設計并無連接,如果線路無法分開,則在兩系統間的線路上設計高壓阻斷裝置。

雙電壓系統CAN總線通訊

為保障數據通訊流暢,CAN總線要求兩端輸入電平相同。

電磁兼容EMC

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

其他挑戰

※成本控制

- 研發投入

- 復雜的電器結構的開發

- 浮動成本

※重量增加

- DC/DC轉換器重量

- 48V電池的重量

- 增加的線圈重量

※維護成本

4
 48V系統未來發展趨勢


48V系統的應用區間

未來10年,啟停技術和混合動力技術將急速發展,這些技術正是48V系統的最佳應用區間。

推廣48V系統帶來的影響

48V系統可以帶來系統部件的優化、更多附件和作動器的電氣化以及諸如后輪轉向系統的新功能的加入,而且可以帶來較好的節能減排效果。但48V系統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技術開發的投入變化


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

48V系統相關設計、部件等都得到了很大的發展。

整車廠的應用
  • 大眾公司

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

未來大眾與大陸也會繼續探索48V系統在重混HEV和插電式PHEV上的應用。

5
  各國對48V系統的不同態度
歐洲--大力推行

由于歐洲嚴格的節能環保法規以及基于傳統內燃機汽車的技術積累,歐洲在占領未來48V市場方面也有較大的而潛力。


美、日--態度一般
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;

汽車電子廠商


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

個性阻力

美 國

42V系統的失敗令美國人在車用電氣系統改革方面更為謹慎;

日 本

發展方向為混合動力技術,先進的混合動力技術可保證未來20年內滿足法規要求。

中國--車企積極開展集成匹配,核心部件研發暫時空白

目前國內整車企業在48V系統上有搭載測試,但是我國汽車電子供應商實力相對薄弱,在自主研發領域暫時空白。

未來在環境、能源和法規的壓力和中國汽車智能化的大力推進的環境下,48V系統在國內具有非常大的應用潛力。

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