应对节能减排，汽车48V系统技术应用浅析

专家专栏 2017-4-14 00:03

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放大缩小

简介：　　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。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 ...

　　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。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。
　　1.48V系统的发展和背景轿车电气平台发展历程
　　1970前--1970s
　　6V系统--12V系统
　　推动1：电气化部件大量集成
　　推动2：6V系统不能满足车用电器功率要求
　　结果：车用电气平台升级
　　1990s--42V系统构思
　　目的：应对未来汽车电气化趋势(寻求3倍以上的电压)
　　主要参与者：美国
　　标准：SAE会议进行了一定讨论
　　结果：失败，但某些部件保留42V电压
　　42V系统失败原因
　　- 完全的架构革命，需要车内所有电子元件进行革新
　　- 成本产出不理想，市场无法接受
　　- 未能带来理想的节能效果
　　- 12V架构调制良好，且取得了一系列节能方面的进展
　　2000s--12V系统
　　回归12V系统
　　启停技术出现
　　2010s-48V系统提出
　　推动1：欧洲2020年95g/km法规压力
　　推动2：启停技术将12V系统承载能力推到极限
　　主要参与者：德国
　　标准：48V系统标准LV148
　　2010后-48V系统整合完善
　　- 通过DC/DC转换器，将48V系统集成在原有12V系统上，避免了革命性的变更
　　- 48V/12V双总成电压技术的积累
　　- 锂电池和超级电容的出现是48V技术发展的契机
　　- 节油效果明显(NEDC工况10%-15%)
　　严格的节能法规推动48V系统发展
　　到2020年，各国CO2排放法规都限定在100g/km左右。欧洲在节能控制方面一直走在前面，美国、中国逐渐赶上。

　　车用电器的不断集成推动48V系统发展

　　12V系统所能提供的功率极限在3kw-4kw；
　　通过不断降低已有电气装备的功率需求，可以满足一定量的新电器装备集成；
　　加入功率需求较大的电气装备(如启停系统)后，12V系统承载能力达到极限，需要新电气平台的构建。

　　混合动力汽车的发展促进48V系统的应用

　　为什么选择48V系统

　　48V系统具有较大节能潜力
　　开发低压系统收效很小，电压过高则成本和法规无法接受，48V是最好选择
　　2.48V系统架构与原理
　　现阶段48V系统架构
　　利用DC/DC转换装置，实现电气系统12V/48V双电压架构，分别驱动不同元件。

　　48V系统在混合动力汽车上的应用

　　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。
　　由12V/48V双电压系统到48V单电压系统

　　随着48V系统不断推广，汽车电气系统将逐渐由12V/48V双电压系统过渡到48V单电压系统，以满足车用电器的功率需求和电气系统架构简单化需求。从某种层面上讲，48V系统是过渡系统，随着EV和FCV的发展，高电压电气系统会不断投入应用。
　　48V系统的节能原理
　　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。

　　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。

　　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。

　　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。
　　3. 48V系统技术挑战与设计建议
　　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。

　　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。

　　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。

　　串联电弧放电(热插拔)
　　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。

　　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。
　　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。

　　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。
　　其他挑战
　　※成本控制
　　- 研发投入
　　- 复杂的电器结构的开发
　　- 浮动成本
　　※重量增加
　　- DC/DC转换器重量
　　- 48V电池的重量
　　- 增加的线圈重量
　　※维护成本
　　4.48V系统未来发展趋势
　　48V系统的应用区间

　　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。
　　推广48V系统带来的影响

　　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。

　　各厂商对48V技术开发的投入变化
　　2014年，53%以上的厂商加大了对48V技术的开发。同时，各厂商也开始寻求技术合作，共同开发48V系统。
　　48V系统相关设计、部件等都得到了很大的发展。

　　整车厂的应用
　　大众公司

　　计划于11月推出的2017款搭载48V系统的高尔夫GTI
　　该车将搭载大陆公司的48V/12V电气系统，具有智能能量回收系统、加速辅助系统、进阶启停系统和不同行驶状态的驱动策略。
　　未来大众与大陆也会继续探索48V系统在重混HEV和插电式PHEV上的应用。
　　5. 各国对48V系统的不同态度
　　欧洲--大力推行
　　由于欧洲严格的节能环保法规以及基于传统内燃机汽车的技术积累，欧洲在占领未来48V市场方面也有较大的而潜力。

　　美、日--态度一般
　　共性阻力
　　CO2法规相对松弛
　　美国：2020年113g/km，2025年93g/km；
　　日本：2020年112g/km，2025年112g/km；
　　汽车电子厂商
　　美日技术路线与欧洲有所区别，技术投入方向不同，导致美日供应商与德国供应商的技术水平有一定差距。
　　个性阻力
　　美国
　　42V系统的失败令美国人在车用电气系统改革方面更为谨慎；
　　日本
　　发展方向为混合动力技术，先进的混合动力技术可保证未来20年内满足法规要求。
　　中国--车企积极开展集成匹配，核心部件研发暂时空白
　　目前国内整车企业在48V系统上有搭载测试，但是我国汽车电子供应商实力相对薄弱，在自主研发领域暂时空白。未来在环境、能源和法规的压力和中国汽车智能化的大力推进的环境下，48V系统在国内具有非常大的应用潜力。
　　本文转载自汽车节能技术公众号
　　作者：汽车新闻
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