長(cháng)沙容測電子有限公司
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閱讀：21發(fā)布時(shí)間：2024-11-23
(文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )整理，如有侵權請聯(lián)系刪除）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。汽車(chē)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。
應運而生的汽車(chē)48V系統
汽車(chē)在1918年引入蓄電池，到1920年逐漸普及，當時(shí)的電池電壓是6V。后來(lái)，隨著(zhù)內燃機排量的增加以及高壓縮比內燃機的出現，6V系統已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求，于是在1950年引入了12V系統。
到了1988年，SAE（Society of Automotive Engineers）提議把標準電壓提高至42V，但是由于種種限制，響應者寥寥。后來(lái)，即使隨著(zhù)電氣設備的增加，電池已經(jīng)不能滿(mǎn)足車(chē)身設備的功率需求的情況下，汽車(chē)企業(yè)采取了切斷大功率負載的方法來(lái)降低電池的負荷。
12V電壓系統在引入啟停機構之后，基本已經(jīng)達到了功率輸出極限，如果在12V電壓下引入輕混系統，功率需求在10kW~15kW左右，這樣的電壓下電池的輸出電流高達1000A，顯然行不通。
2011年，Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen聯(lián)合推出48V系統，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的車(chē)載負載需求，更重要的是為了滿(mǎn)足2020年嚴格的排放法規。并在隨后發(fā)布了48V系統規范LV148。
為什么是48V呢？因為60V是安全電壓，也就是說(shuō)只要低于60V的電壓不需要采取額外的安全防護措施，48V電池的充電電壓56V，已經(jīng)很接近60V，即48V電池電壓是安全電壓下的電壓等級了。
48V電源系統比12V電源系統能夠儲存更多電量，在配備啟停系統的車(chē)上可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間關(guān)閉發(fā)動(dòng)機，減少出現電池電量過(guò)低而頻繁起動(dòng)發(fā)動(dòng)機充電的情況（如果不充電就無(wú)法起到發(fā)動(dòng)機了），從而避免浪費過(guò)多的燃油。
當然48V系統的出現并不是說(shuō)明12V系統已經(jīng)被淘汰，而是在保留之前12V系統的基礎上，再增加了一套48V系統來(lái)支持弱混和中混系統的。
此外，在排放法規中，歐盟要求嚴格，到2020年百公里油耗要降至4L，每公里二氧化碳排放低至95g。顯然單純靠提高發(fā)動(dòng)機的燃油效率達到排放目標基本是不可能完成的任務(wù)，汽車(chē)混動(dòng)化，純電動(dòng)化是技術(shù)路線(xiàn)了。純電動(dòng)化雖然是汽車(chē)的目標，但是由于高成本以及續航問(wèn)題，無(wú)法在短期內大量普及。
汽車(chē)48V系統架構
標準48V系統由三大件組成：電機、鋰離子電池組以及DC-DC轉換器。
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。
汽車(chē)48V輕混系統相比高壓混動(dòng)系統而言，成本更低，卻可以達到高壓混動(dòng)系統（電池電壓>100V）大部分節能效果，按照德?tīng)柛５臏y算，48V輕混系統是高壓輕混系統成本的30%，能達到高壓輕混系統70%的節能效果。
汽車(chē)48V輕混系統的優(yōu)點(diǎn)：
1. 低于60V安全電壓，不需要采取額外的電壓防護，相對高壓混動(dòng)系統，成本更低；
2. 相對于12V系統，相同功率下工作電流只有1/4，損耗只有12V系統的1/16；
3. 由于BSG/ISG的電功率輔助，可以進(jìn)一步縮小發(fā)動(dòng)機的體積，進(jìn)而降低排放；
4. 可以將傳統發(fā)動(dòng)機上的高負載附件電動(dòng)化，比如空調壓縮機、冷卻水泵、真空泵等，降低發(fā)動(dòng)機的負載，即使在發(fā)動(dòng)機關(guān)閉的情況下，這些設備也能工作；
5. 將車(chē)載電器工作電壓提升到48V，可以進(jìn)一步降低損耗，同時(shí)可以降低線(xiàn)束外徑；
6. 可以支持更大功率的車(chē)載設備。
7. 可以渦輪電動(dòng)化，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機的效率，并且不會(huì )有渦輪增壓器延遲現象；
8. BSG/ISG點(diǎn)火時(shí)間更短，更低噪音和更小震動(dòng)。
9. 48V Belt Starter Generator (BSG) 容易替代原有的12V Belt Starter Generator，無(wú)需大幅更改設計即可配套。
隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，廠(chǎng)商開(kāi)始將12/48V雙電壓系統進(jìn)化到48V單電壓系統。
汽車(chē)48V系統為什么會(huì )節能
48V系統可以為更多節能技術(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。
系統設計挑戰1 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。
2 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。
3 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）
4 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。
5 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。
6 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。
未來(lái)的發(fā)展
1 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系統的應用區間。
2 推廣48V系統帶來(lái)的影響
汽車(chē)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。
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