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汽车电源为何抛弃“12V”选择“48V”?

时间:2019-03-28 阅读:
今年以来,尤其是上海车展上的一些展示,重新引起了人们对48V系统的关注。一方面,是高端的奔驰新S级,插电混动版将配备48V系统,它下一步来到我们身边应该是没悬念的。另一方面,比亚迪以外的自主厂商也在发布自己的48V系统研发和投入计划。那为什么大家都要抛弃以前的12V转为48V呢?

全新一代奥迪A8车型将装配一套48V电气系统,以此来达到节省能耗和提升动力的目的,该车将基于大众集团MLBEvo平台进行打造。

真正的技术达人,对于“车用48V”这个名词应该不会陌生。早在新奥迪Q7发布之时,就曾提到过48V系统的量产应用。更早时的2013年,比亚迪发布的“绿混”本质上也属于这一类别。然而所有这些,或发布之后“光打雷不下雨”,或量产后并未引进来到我们身边,因此不少人对这一新鲜事物也逐渐淡忘了。

今年以来,尤其是上海车展上的一些展示,重新引起了人们对48V系统的关注。一方面,是高端的奔驰新S级,插电混动版将配备48V系统,它下一步来到我们身边应该是没悬念的。另一方面,比亚迪以外的自主厂商也在发布自己的48V系统研发和投入计划。

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那为什么大家都要抛弃以前的12V转为48V呢?比如说空调,传统汽车在等红灯的时候,发动机处于怠速,皮带驱动的空调压缩机可以继续工作,空调照样制冷。

但是对于有启停功能的车来说,等红灯时需要转换到电动空调,不然乘客就要忍受等红灯或堵车的时候没有空调的环境。一个电动空调压缩机的功率最低要2.5kw,如果用12V伏供电,电网就难以承受,用48V就没有问题了。此外48V一侧还可以给主动悬架,电动转向,电动暖风等供电。”随着越来越多的大功率用电器有皮带驱动转变为电驱动,48V一侧的大功率用电器将不断增加。

应运而生的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。

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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。 

48V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。 

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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。

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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。

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。 

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48V为何会节能

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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2  能量管理的挑战 

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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。

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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。

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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。 

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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。

未来发展

1  48V系统的应用区间

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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

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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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厂商情况

企业方面,目前已经有多家零部件厂商和整车厂商正在开发和应用48V微混系统。

  • 零部件企业:大陆集团、法雷奥、德尔福、博世、日立等;
  • 电池企业:力神、宁德时代、江森自控、风帆、万向、中航锂电等;
  • 整车企业:大众、长安、吉利、广汽、长城、比亚迪、一汽等。

1、大陆集团

大陆是48V系统的先行者,大陆集团的48V微混系统采用所谓的“P0” 结构,该系统被安置在原起动电机的位置,通过皮带与发动机曲轴相连接,因此其与现有的内燃机进行集成十分方便。由于设计十分紧凑,这套系统所占用的空间仅相当于传统的起动电机的大小。

2017年年底之前,雷诺Scénic(风景)及Grand Scénic(大风景)将搭载大陆48V柴油版混动系统。凭借该套系统,Scénic的百公里综合油耗为仅3.5升柴油,而CO2排放更是被降至92 g/km,在同级别车中无人能及。这也是48V“混合辅助系统”首次用于生产汽车。

2、博世

博世提供了48V系统的整套解决方案:BRS系统(Boost Recuperation System),并计划2017年量产。2016年5月21日,FIA Electric, New Energy Commission, German Motorsport Association(DMSB)在柏林联合发布采用博世BRS系统的卡丁车,装备2台BSG,总功率20kW,百公里加速不到5秒。这是博世对2017年进行量产的BRS系统进行的应用测试。

3、德尔福

德尔福当前推出的是基于P0构架的48V BSG系统,并在本田Civic 1.6L柴油车上进行了验证,降低二氧化碳排放超过10%。

2016年4月,德尔福宣布已经和2个客户达成合作,并计划在2017年量产48V系统。

4、法雷奥

法雷奥为48V轻混系统提供了核心零部件,包括48V电动增压器、BSG、离合器、DCDC。法雷奥48伏动力总成系统由48伏电子增压器、48伏iBSG皮带式起发电一体机构成,可最大程度地回收汽车制动能量。

5、日立

日立汽车系统在2016年3月完成了面向48V中混动力汽车的锂离子电池组的基本设计。2016年新开发的48V锂离子电池组将BMS基板、电池单体、继电器、保险丝组装载于同一箱体内,具有可组装性强、可靠性高的特点。

从2016年开始,日立汽车系统将开始向汽车制造商客户供应48V系统样品,并致力于2018年度实现量产。

6、江森自控

江森自控的48V微混电池系统采用的是双电压结构设计,即在一辆汽车上搭载两个电池:48V锂离子电池与12V传统起动电池。48V电池可以向更高功率的负荷提供电力。12V电池可为汽车起动、车内外照明和娱乐系统(如收音机和DVD播放器等)持续提供电力。

7、万向

万向集团的48V微混动力电池技术来自F1赛车的高功率电池技术,是在纳米磷酸铁锂技术基础上开发而成。该电池产品具有高功率的特性(电池的电芯功率密度为3千瓦/公斤),在低温下表现良好,可以在最低零下30摄氏度下释放比铅酸电池更多的电量,并能达到持续5年的生命周期。

2017年2月,万向一二三获得上汽通用价值超过10亿美元的260万套48V超级磷酸铁锂电池订单。该系统电池是在纳米磷酸铁锂技术基础上开发而成,并对负极材料研究作了改进和优化。该产品由14个8安时电芯组成,电池高度96毫米,电芯功率密度3千瓦/公斤,电池功率密度2千瓦/公斤。

8、宁德时代

宁德时代已经规划了三代48V产品,第一代产品主要主要实现基本的启停、加速、能量回收功能,采用12~13个10安时电芯的pack。第二代产品将实现更高的节油减排效率,在电池上采用15-30安时电芯的pack,第三代产品则将提供更多的电气功能,在电池上将采用25-40安时的电芯pack。预计其第一代产品将在2017年实现标准化量产。

9、比亚迪

2013年,比亚迪就推出了自己的48V微混技术——绿混系统,用48V的磷酸铁锂电池。在这套48V电压平台上可以集成更多的用电设备,比如起停装置、电动助力、LED灯具等。为了进一步降低能耗,比亚迪还将家电行业中的变频技术应用在车辆上,比如变频压缩机、变频油泵、变频风扇等,这些变频装置最终可以实现节能的目的。

在绿混技术中,比亚迪还应用了一个低电压、大扭矩、双绕组的电机。该电机可以在48V低电压的条件下协助发动机进行加速(传统混动车型都需要100V以上的高电压),从而减少燃油消耗,在刹车或减速滑行时,通过该电机来回收制动能量并对铁电池进行充电。

通过使用48V电压平台以及对全车用电设备的改进,同时配合发动机启停、制动能量回收、低滚阻风阻等技术,可以使搭载绿混技术的车辆实现百公里节油1.5升左右。

10、奥迪

奥迪全新一代A8将推出搭载48V锂电池的混合动力版车型,此套系统与电机匹配后可拥有相比传统混动车型更出色的性能和燃油经济性表现,而车辆在进行诸如制动等动作时,产生的多余能量则将被储存到48V电池组中。该系统将带给全新一代A8车型在功率上提升16马力,扭矩上提升60牛·米,同时在NEDC测试方案下,新车的油耗也将有0.7L/100km的下降。奥迪宣称这套混合动力系统未来将在其家族其他车型上使用,例如全新A6、A7等。

48V的优势总结

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。

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。

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。

(来源:硬件十万个为什么

 

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