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汽车48V系统技术应用浅析

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发布:liuxianglong 作者: 汽车节能技术来源: 汽车节能技术
PostTime:17-4-2017 21:31
汽车节能技术 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

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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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。

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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

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为什么选择48V系统

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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。

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48V系统在混合动力汽车上的应用

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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。

由12V/48V双电压系统到48V单电压系统

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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。

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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。

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。

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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。

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)

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。

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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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

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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。

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。

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。

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整车厂的应用

大众公司

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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。

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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。

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