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汽车48V系统现状和未来趋势

2020-9-2 9:46:52      点击:

(文章来源于网络整理,如有侵权请联系删除)随着国家对车辆油耗和排放标准的进一步提高,节能减排成为个汽车企业需要共同面对的课题。汽车48V系统具有投入低、节能减排明显的特点,能够明显提高车载电源功率,成为近期汽车行业研究的热点。本文将以汽车48V系统的发展和应用着手,简单为大家呈现48V系统现状和未来趋势。

应运而生的汽车48V系统

汽车在1918年引入蓄电池,到1920年逐渐普及,当时的电池电压是6V。后来,随着内燃机排量的增加以及高压缩比内燃机的出现,6V系统已经不能满足需求,于是在1950年引入了12V系统。

到了1988年,SAE(Society of Automotive Engineers)提议把标准电压提高至42V,但是由于种种限制,响应者寥寥。后来,即使随着电气设备的增加,电池已经不能满足车身设备的功率需求的情况下,汽车企业采取了切断大功率负载的方法来降低电池的负荷。

12V电压系统在引入启停机构之后,基本已经达到了功率输出极限,如果在12V电压下引入轻混系统,功率需求在10kW~15kW左右,这样的电压下电池的输出电流高达1000A,显然行不通。

2011年,Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen联合推出48V系统,以满足日益增长的车载负载需求,更重要的是为了满足2020年严格的排放法规。并在随后发布了48V系统规范LV148。

为什么是48V呢?因为60V是安全电压,也就是说只要低于60V的电压不需要采取额外的安全防护措施,48V电池的充电电压最高56V,已经很接近60V,即48V电池电压是安全电压下的最高电压等级了。

汽车48V轻混系统

48V电源系统比12V电源系统能够储存更多电量,在配备启停系统的车上可以实现长时间关闭发动机,减少出现电池电量过低而频繁起动发动机充电的情况(如果不充电就无法起到发动机了),从而避免浪费过多的燃油。

当然48V系统的出现并不是说明12V系统已经被淘汰,而是在保留之前12V系统的基础上,再增加了一套48V系统来支持弱混和中混系统的。

此外,在排放法规中,欧盟要求最为严格,到2020年百公里油耗要降至4L,每公里二氧化碳排放低至95g。显然单纯靠提高发动机的燃油效率达到排放目标基本是不可能完成的任务,汽车混动化,纯电动化是最佳技术路线了。纯电动化虽然是汽车的终极目标,但是由于高成本以及续航问题,无法在短期内大量普及。

汽车48V系统架构

标准48V系统由三大件组成:电机、锂离子电池组以及DC-DC转换器。

汽车48V轻混系统

在混合动力汽车上搭载48V系统,通过两个DC/DC转换器,形成12V-48V-HEV电气系统架构;普通混合动力汽车的电气架构是12V-HEV模式,通过DC/DC转换器直接联通12V系统和HEV高压系统。

汽车48V轻混系统

汽车48V轻混系统相比高压混动系统而言,成本更低,却可以达到高压混动系统(电池电压>100V)大部分节能效果,按照德尔福的测算,48V轻混系统是高压轻混系统成本的30%,能达到高压轻混系统70%的节能效果。

汽车48V轻混系统的优点:

1. 低于60V安全电压,不需要采取额外的电压防护,相对高压混动系统,成本更低;

2. 相对于12V系统,相同功率下工作电流只有1/4,损耗只有12V系统的1/16;

3. 由于BSG/ISG的电功率辅助,可以进一步缩小发动机的体积,进而降低排放;

4. 可以将传统发动机上的高负载附件电动化,比如空调压缩机、冷却水泵、真空泵等,降低发动机的负载,即使在发动机关闭的情况下,这些设备也能工作;

5. 将车载电器工作电压提升到48V,可以进一步降低损耗,同时可以降低线束外径;

6. 可以支持更大功率的车载设备。

7. 可以涡轮电动化,进一步提高发动机的效率,并且不会有涡轮增压器延迟现象;

8. BSG/ISG点火时间更短,更低噪音和更小震动。

9. 48V Belt Starter Generator (BSG) 容易替代原有的12V Belt Starter Generator,无需大幅更改设计即可配套。

随着技术的进步,厂商开始将12/48V双电压系统进化到48V单电压系统。

汽车48V轻混系统

汽车48V系统为什么会节能

48V系统可以为更多先进节能技术提供集成平台的基础,从而达到节能效果。而48V承载功率提升到15kw左右,可提供更多减排技术的集成。

在目前的12V系统下,启停技术的应用已经达到极限(功率为3kw),无法集成其他高功率消耗的节能技术。而在48V系统下,随着各种先进节能技术的应用,可达到10%-15%的节油效果。

汽车48V系统

由于48V系统通电电流位12V系统的1/4,所以等功率下的功率损失较12V系统减少也非常可观,功率损失是12V系统的1/16。更低的功率损失,电气系统的总体效率大大提升,解除了功率限制,可以对车用电器进行更精细的控制,提升其性能。

汽车48V系统

另一方面,48V系统可以提供诸如能量回收系统、自动启停系统等更多的功能集成,满足人们越来越高的需求。同时,锂电池充放电性能更佳,启停系统的应用效果更好。

48V系统

另一方面,更低的电流意味着可以应用更细的导线,对整车的轻量化设计促进效果明显。

系统设计挑战

1 安全电压控制

由奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众物价德国厂商与2011年制定的LV148标准中,电子元件正常工作电压为36V-52V,高于60V的电压被严格禁止,为了达到这一限值标准,设定了54V和52V电压限制,以留出电压波动区域。

汽车48V系统安全电压控制

2 能量管理的挑战

汽车48V系统能量管理的挑战

在能量管理方面,该系统也面临着能量转换、能量储备和能量流动以及效率和稳定性的问题。

3 电弧放电

在并联电路中,当能量达到2900J,两条通电线路之间有很小的接触的时候容易发生电弧放电。

在串联电路中,当在48V电路工作中进行热插拔时,也会发生电弧放电。

目前并联的电弧放电智能通过合理的电路设计来避免,串联电弧放电需要在电路中引入电容器来避免。

 电弧放电

串联电弧放电(热插拔)

4 接地失效

双电压系统中,高压模块接地失效后,电流直接通过低压模块与地面接触,会对低压模块部件造成损坏。

汽车48V系统

该问题通常的解决思路是将48V子系统与12V子系统线路分开设计并无连接,如果线路无法分开,则在两系统间的线路上设计高压阻断装置。

5 双电压系统CAN总线通讯

为保障数据通讯流畅,CAN总线要求两端输入电平相同。

汽车48V系统

6 电磁兼容EMC

48V系统较12V系统有较大的电压升高,电磁兼容的要求就会更高,所以在双电压系统的转换器和导线布置中,必须考虑电磁兼容的设计。

未来的发展

1 48V系统的应用区间

汽车48V系统

未来10年,启停技术和混合动力技术将急速发展,这些技术正是48V系统的最佳应用区间。

2 推广48V系统带来的影响

汽车48V系统可以带来系统部件的优化、更多附件和作动器的电气化以及诸如后轮转向系统的新功能的加入,而且可以带来较好的节能减排效果。但48V系统并不会带来特别大的成本压力,主要压力仍是各种功能性电气部件的集成成本。


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