應對節能減排，汽車48V系統技術應用淺析

隨著國家對車輛油耗和排放標準的進一步提高，節能減排成為個汽車企業需要共同面對的課題。48V系統具有投入低、節能減排明顯的特點，能夠明顯提高車載電源功率，成為近期汽車行業研究的熱點。本文將以汽車48V系統的發展和應用著手，簡單為大家呈現48V系統現狀和未來趨勢。

1.48V系統的發展和背景轎車電氣平台發展歷程

1970前--1970s

6V系統--12V系統

推動1：電氣化部件大量集成

推動2：6V系統不能滿足車用電器功率要求

結果：車用電氣平台升級

1990s--42V系統構思

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

- 未能帶來理想的節能效果

- 12V架構調製良好，且取得了一系列節能方面的進展

2000s--12V系統

回歸12V系統

啟停技術出現

2010s-48V系統提出

推動1：歐洲2020年95g/km法規壓力

推動2：啟停技術將12V系統承載能力推到極限

主要參與者：德國

標準：48V系統標準LV148

2010后-48V系統整合完善

- 通過DC/DC轉換器，將48V系統集成在原有12V系統上，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技術發展的契機

- 節油效果明顯(NEDC工況10%-15%)

嚴格的節能法規推動48V系統發展

到2020年，各國CO2排放法規都限定在100g/km左右。歐洲在節能控制方面一直走在前面，美國、逐漸趕上。

12V系統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)后，12V系統承載能力達到極限，需要新電氣平台的構建。

混合動力汽車的發展促進48V系統的應用

為什麼選擇48V系統

48V系統具有較大節能潛力

開發低壓系統收效很小，電壓過高則成本和法規無法接受，48V是最好選擇

2.48V系統架構與原理

現階段48V系統架構

利用DC/DC轉換裝置，實現電氣系統12V/48V雙電壓架構，分別驅動不同元件。

48V系統在混合動力汽車上的應用

在混合動力汽車上搭載48V系統，通過兩個DC/DC轉換器，形成12V-48V-HEV電氣系統架構；

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系統和HEV高壓系統。

由12V/48V雙電壓系統到48V單電壓系統

隨著48V系統不斷推廣，汽車電氣系統將逐漸由12V/48V雙電壓系統過渡到48V單電壓系統，以滿足車用電器的功率需求和電氣系統架構簡單化需求。從某種層面上講，48V系統是過渡系統，隨著EV和FCV的發展，高電壓電氣系統會不斷投入應用。

48V系統的節能原理

48V系統可以為更多先進節能技術提供集成平台的基礎，從而達到節能效果。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能技術。而在48V系統下，隨著各種先進節能技術的應用，可達到10%-15%的節油效果。

由於48V系統通電電流位12V系統的1/4，所以等功率下的功率損失較12V系統減少也非常可觀，功率損失是12V系統的1/16。更低的功率損失，電氣系統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系統可以提供諸如能量回收系統、自動啟停系統等更多的功能集成，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系統技術挑戰與設計建議

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，高於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，以留出電壓波動區域。

能量管理的挑戰

在能量管理方面，該系統也面臨著能量轉換、能量儲備和能量流動以及效率和穩定性的問題。

電弧放電

在並聯電路中，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，也會發生電弧放電。

目前並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子系統與12V子系統線路分開設計並無連接，如果線路無法分開，則在兩系統間的線路上設計高壓阻斷裝置。

雙電壓系統CAN匯流排通訊

為保障數據通訊流暢，CAN匯流排要求兩端輸入電平相同。

電磁兼容EMC

48V系統較12V系統有較大的電壓升高，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

※成本控制

- 研發投入

- 複雜的電器結構的開發

- 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系統未來發展趨勢

48V系統的應用區間

未來10年，啟停技術和混合動力技術將急速發展，這些技術正是48V系統的最佳應用區間。

推廣48V系統帶來的影響

48V系統可以帶來系統部件的優化、更多附件和作動器的電氣化以及諸如後輪轉向系統的新功能的加入，而且可以帶來較好的節能減排效果。但48V系統並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技術開發的投入變化

2014年，53%以上的廠商加大了對48V技術的開發。同時，各廠商也開始尋求技術合作，共同開發48V系統。

48V系統相關設計、部件等都得到了很大的發展。

整車廠的應用

大眾公司

計劃於11月推出的2017款搭載48V系統的高爾夫GTI

該車將搭載大陸公司的48V/12V電氣系統，具有智能能量回收系統、加速輔助系統、進階啟停系統和不同行駛狀態的驅動策略。

未來大眾與大陸也會繼續探索48V系統在重混HEV和插電式PHEV上的應用。

5. 各國對48V系統的不同態度

歐洲--大力推行

由於歐洲嚴格的節能環保法規以及基於傳統內燃機汽車的技術積累，歐洲在佔領未來48V市場方面也有較大的而潛力。

美、日--態度一般

共性阻力

CO2法規相對鬆弛

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系統的失敗令美國人在車用電氣系統改革方面更為謹慎；

日本

發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年內滿足法規要求。

--車企積極開展集成匹配，核心部件研發暫時空白

目前國內整車企業在48V系統上有搭載測試，但是汽車電子供應商實力相對薄弱，在自主研發領域暫時空白。未來在環境、能源和法規的壓力和汽車智能化的大力推進的環境下，48V系統在國內具有非常大的應用潛力。

本文轉載自汽車節能技術公眾號