汽車48V系統(tǒng)技術應用淺析
隨著國家對車輛油耗和排放標準的進一步提高,節(jié)能減排成為個汽車企業(yè)需要共同面對的課題。48V系統(tǒng)具有投入低、節(jié)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(yè)研究的熱點。本文將以汽車48V系統(tǒng)的發(fā)展和應用著手,簡單為大家呈現48V系統(tǒng)現狀和未來趨勢。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/384976.htm1.48V系統(tǒng)的發(fā)展和背景轎車電氣平臺發(fā)展歷程
1970前--1970s
6V系統(tǒng)--12V系統(tǒng)
推動1:電氣化部件大量集成
推動2:6V系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)能效果
- 12V架構調制良好,且取得了一系列節(jié)能方面的進展
2000s--12V系統(tǒng)
回歸12V系統(tǒng)
啟停技術出現
2010s-48V系統(tǒng)提出
推動1:歐洲2020年95g/km法規(guī)壓力
推動2:啟停技術將12V系統(tǒng)承載能力推到極限
主要參與者:德國
標準:48V系統(tǒng)標準LV148
2010后-48V系統(tǒng)整合完善
- 通過DC/DC轉換器,將48V系統(tǒng)集成在原有12V系統(tǒng)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(fā)展的契機
- 節(jié)油效果明顯(NEDC工況10%-15%)
嚴格的節(jié)能法規(guī)推動48V系統(tǒng)發(fā)展
到2020年,各國CO2排放法規(guī)都限定在100g/km左右。歐洲在節(jié)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(tǒng)發(fā)展
12V系統(tǒng)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(tǒng))后,12V系統(tǒng)承載能力達到極限,需要新電氣平臺的構建。
的發(fā)展促進48V系統(tǒng)的應用
為什么選擇48V系統(tǒng)
48V系統(tǒng)具有較大節(jié)能潛力
開發(fā)低壓系統(tǒng)收效很小,電壓過高則成本和法規(guī)無法接受,48V是最好選擇
2.48V系統(tǒng)架構與原理
現階段48V系統(tǒng)架構
利用DC/DC轉換裝置,實現電氣系統(tǒng)12V/48V雙電壓架構,分別驅動不同元件。
48V系統(tǒng)在混合動力汽車上的應用
在混合動力汽車上搭載48V系統(tǒng),通過兩個DC/DC轉換器,形成12V-48V-HEV電氣系統(tǒng)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(tǒng)和HEV高壓系統(tǒng)。
由12V/48V雙電壓系統(tǒng)到48V單電壓系統(tǒng)
隨著48V系統(tǒng)不斷推廣,汽車電氣系統(tǒng)將逐漸由12V/48V雙電壓系統(tǒng)過渡到48V單電壓系統(tǒng),以滿足車用電器的功率需求和電氣系統(tǒng)架構簡單化需求。從某種層面上講,48V系統(tǒng)是過渡系統(tǒng),隨著EV和FCV的發(fā)展,高電壓電氣系統(tǒng)會不斷投入應用。
48V系統(tǒng)的節(jié)能原理
48V系統(tǒng)可以為更多先進節(jié)能技術提供集成平臺的基礎,從而達到節(jié)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(tǒng)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(jié)能技術。而在48V系統(tǒng)下,隨著各種先進節(jié)能技術的應用,可達到10%-15%的節(jié)油效果。
由于48V系統(tǒng)通電電流位12V系統(tǒng)的1/4,所以等功率下的功率損失較12V系統(tǒng)減少也非常可觀,功率損失是12V系統(tǒng)的1/16。更低的功率損失,電氣系統(tǒng)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(tǒng)可以提供諸如能量回收系統(tǒng)、自動啟停系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)技術挑戰(zhàn)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(qū)域。
能量管理的挑戰(zhàn)
在能量管理方面,該系統(tǒng)也面臨著能量轉換、能量儲備和能量流動以及效率和穩(wěn)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(fā)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(fā)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。
串聯電弧放電(熱插拔)
接地失效
雙電壓系統(tǒng)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(tǒng)與12V子系統(tǒng)線路分開設計并無連接,如果線路無法分開,則在兩系統(tǒng)間的線路上設計高壓阻斷裝置。
雙電壓系統(tǒng)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(tǒng)較12V系統(tǒng)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(tǒng)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(zhàn)
※成本控制
- 研發(fā)投入
- 復雜的電器結構的開發(fā)
- 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(tǒng)未來發(fā)展趨勢
48V系統(tǒng)的應用區(qū)間
未來10年,啟停技術和混合動力技術將急速發(fā)展,這些技術正是48V系統(tǒng)的最佳應用區(qū)間。
推廣48V系統(tǒng)帶來的影響
48V系統(tǒng)可以帶來系統(tǒng)部件的優(yōu)化、更多附件和作動器的電氣化以及諸如后輪轉向系統(tǒng)的新功能的加入,而且可以帶來較好的節(jié)能減排效果。但48V系統(tǒng)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(fā)的投入變化
2014年,53%以上的廠商加大了對48V技術的開發(fā)。同時,各廠商也開始尋求技術合作,共同開發(fā)48V系統(tǒng)。
48V系統(tǒng)相關設計、部件等都得到了很大的發(fā)展。
整車廠的應用
大眾公司
計劃于11月推出的2017款搭載48V系統(tǒng)的高爾夫GTI
該車將搭載大陸公司的48V/12V電氣系統(tǒng),具有智能能量回收系統(tǒng)、加速輔助系統(tǒng)、進階啟停系統(tǒng)和不同行駛狀態(tài)的驅動策略。
未來大眾與大陸也會繼續(xù)探索48V系統(tǒng)在重混HEV和插電式PHEV上的應用。
5. 各國對48V系統(tǒng)的不同態(tài)度
歐洲--大力推行
由于歐洲嚴格的節(jié)能環(huán)保法規(guī)以及基于傳統(tǒng)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(tài)度一般
共性阻力
CO2法規(guī)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(qū)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(tǒng)的失敗令美國人在車用電氣系統(tǒng)改革方面更為謹慎;
日本
發(fā)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(guī)要求。
中國--車企積極開展集成匹配,核心部件研發(fā)暫時空白
目前國內整車企業(yè)在48V系統(tǒng)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(fā)領域暫時空白。未來在環(huán)境、能源和法規(guī)的壓力和中國汽車智能化的大力推進的環(huán)境下,48V系統(tǒng)在國內具有非常大的應用潛力。
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