第五人格微博宿伞之魂:汽車電源為何拋棄12V選擇48V ?

2019-03-27 14:46:49 來源:未知
全新一代奧迪A8車型將裝配一套48V電氣系統,以此來達到節省能耗和提升動力的目的,該車將基于大眾集團MLBEvo平臺進行打造。

第五人格直播 www.asnlo.icu 真正的技術達人,對于“車用48V”這個名詞應該不會陌生。早在新奧迪Q7發布之時,就曾提到過48V系統的量產應用。更早時的2013年,比亞迪發布的“綠混”本質上也屬于這一類別。然而所有這些,或發布之后“光打雷不下雨”,或量產后并未引進來到我們身邊,因此不少人對這一新鮮事物也逐漸淡忘了。

去年以來,尤其是上海車展上的一些展示,重新引起了人們對48V系統的關注。一方面,是高端的奔馳新S級,插電混動版將配備48V系統,它下一步來到我們身邊應該是沒懸念的。另一方面,比亞迪以外的自主廠商也在發布自己的48V系統研發和投入計劃。

那為什么大家都要拋棄以前的12V轉為48V呢?比如說空調,傳統汽車在等紅燈的時候,發動機處于怠速,皮帶驅動的空調壓縮機可以繼續工作,空調照樣制冷。

但是對于有啟停功能的車來說,等紅燈時需要轉換到電動空調,不然乘客就要忍受等紅燈或堵車的時候沒有空調的環境。一個電動空調壓縮機的功率最低要2.5kw,如果用12V伏供電,電網就難以承受,用48V就沒有問題了。此外48V一側還可以給主動懸架,電動轉向,電動暖風等供電。”隨著越來越多的大功率用電器有皮帶驅動轉變為電驅動,48V一側的大功率用電器將不斷增加。

應運而生的48V系統

汽車在1918年引入蓄電池,到1920年逐漸普及,當時的電池電壓是6V。后來,隨著內燃機排量的增加以及高壓縮比內燃機的出現,6V系統已經不能滿足需求,于是在1950年引入了12V系統。

到了1988年,SAE(Society of Automotive Engineers)提議把標準電壓提高至42V,但是由于種種限制,響應者寥寥。后來,即使隨著電氣設備的增加,電池已經不能滿足車身設備的功率需求的情況下,汽車企業采取了切斷大功率負載的方法來降低電池的負荷。

12V電壓系統在引入啟?;怪?,基本已經達到了功率輸出極限,如果在12V電壓下引入輕混系統,功率需求在10kW~15kW左右,這樣的電壓下電池的輸出電流高達1000A,顯然行不通。

2011年,Audi, BMW, Daimler, Porsche, Volkswagen聯合推出48V系統,以滿足日益增長的車載負載需求,更重要的是為了滿足2020年嚴格的排放法規。并在隨后發布了48V系統規范LV148。

為什么是48V呢?因為60V是安全電壓,也就是說只要低于60V的電壓不需要采取額外的安全防護措施,48V電池的充電電壓最高56V,已經很接近60V,即48V電池電壓是安全電壓下的最高電壓等級了。

48V電源系統比12V電源系統能夠儲存更多電量,在配備啟停系統的車上可以實現長時間關閉發動機,減少出現電池電量過低而頻繁起動發動機充電的情況(如果不充電就無法起到發動機了),從而避免浪費過多的燃油。

當然48V系統的出現并不是說明12V系統已經被淘汰,而是在保留之前12V系統的基礎上,再增加了一套48V系統來支持弱混和中混系統的。

此外,在排放法規中,歐盟要求最為嚴格,到2020年百公里油耗要降至4L,每公里二氧化碳排放低至95g。顯然單純靠提高發動機的燃油效率達到排放目標基本是不可能完成的任務,汽車混動化、純電動化是最佳技術路線了。純電動化雖然是汽車的終極目標,但是由于高成本以及續航問題,無法在短期內大量普及。

48V架構

標準48V系統由三大件組成:電機、鋰離子電池組以及DC-DC轉換器。

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。

48V輕混系統相比高壓混動系統而言,成本更低,卻可以達到高壓混動系統(電池電壓>100V)大部分節能效果,按照德爾福的測算,48V輕混系統是高壓輕混系統成本的30%,能達到高壓輕混系統70%的節能效果。

48V輕混系統的優點:

1. 低于60V安全電壓,不需要采取額外的電壓防護,相對高壓混動系統,成本更低;

2. 相對于12V系統,相同功率下工作電流只有1/4,損耗只有12V系統的1/16;

3. 由于BSG/ISG的電功率輔助,可以進一步縮小發動機的體積,進而降低排放;

4. 可以將傳統發動機上的高負載附件電動化,比如空調壓縮機、冷卻水泵、真空泵等,降低發動機的負載,即使在發動機關閉的情況下,這些設備也能工作;

5. 將車載電器工作電壓提升到48V,可以進一步降低損耗,同時可以降低線束外徑;

6. 可以支持更大功率的車載設備。

7. 可以渦輪電動化,進一步提高發動機的效率,并且不會有渦輪增壓器延遲現象;

8. BSG/ISG點火時間更短,更低噪音和更小震動。

9. 48V Belt Starter Generator (BSG) 容易替代原有的12V Belt Starter Generator,無需大幅更改設計即可配套。

隨著技術的進步,廠商開始將12/48V雙電壓系統進化到48V單電壓系統。

48V為何會節能

48V系統可以為更多先進節能技術提供集成平臺的基礎,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。

由于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??曬?,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。

系統設計挑戰

1 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,以留出電壓波動區域。

2 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。

3 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)

4 接地失效

雙電壓系統中,高壓??榻擁厥Ш?,電流直接通過低壓??橛氳孛娼喲?,會對低壓??椴考斐傷鴰?。

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并無連接,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。

5 雙電壓系統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。

6 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。

未來發展

1 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。

2 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后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。

廠商情況

企業方面,目前已經有多家零部件廠商和整車廠商正在開發和應用48V微混系統。

· 零部件企業:大陸集團、法雷奧、德爾福、博世、日立等;

· 電池企業:力神、寧德時代、江森自控、風帆、萬向、中航鋰電等;

· 整車企業:大眾、長安、吉利、廣汽、長城、比亞迪、一汽等。

1、大陸集團

大陸是48V系統的先行者,大陸集團的48V微混系統采用所謂的“P0” 結構,該系統被安置在原起動電機的位置,通過皮帶與發動機曲軸相連接,因此其與現有的內燃機進行集成十分方便。由于設計十分緊湊,這套系統所占用的空間僅相當于傳統的起動電機的大小。

2017年年底之前,雷諾Scénic(風景)及Grand Scénic(大風景)將搭載大陸48V柴油版混動系統。憑借該套系統,Scénic的百公里綜合油耗為僅3.5升柴油,而CO2排放更是被降至92 g/km,在同級別車中無人能及。這也是48V“混合輔助系統”首次用于生產汽車。

2、博世

博世提供了48V系統的整套解決方案:BRS系統(Boost Recuperation System),并計劃2017年量產。2016年5月21日,FIA Electric, New Energy Commission, German Motorsport Association(DMSB)在柏林聯合發布采用博世BRS系統的卡丁車,裝備2臺BSG,總功率20kW,百公里加速不到5秒。這是博世對2017年進行量產的BRS系統進行的應用測試。

3、德爾福

德爾福當前推出的是基于P0構架的48V BSG系統,并在本田Civic 1.6L柴油車上進行了驗證,降低二氧化碳排放超過10%。

2016年4月,德爾福宣布已經和2個客戶達成合作,并計劃在2017年量產48V系統。

4、法雷奧

法雷奧為48V輕混系統提供了核心零部件,包括48V電動增壓器、BSG、離合器、DCDC。法雷奧48伏動力總成系統由48伏電子增壓器、48伏iBSG皮帶式起發電一體機構成,可最大程度地回收汽車制動能量。

5、日立

日立汽車系統在2016年3月完成了面向48V中混動力汽車的鋰離子電池組的基本設計。2016年新開發的48V鋰離子電池組將BMS基板、電池單體、繼電器、保險絲組裝載于同一箱體內,具有可組裝性強、可靠性高的特點。

從2016年開始,日立汽車系統將開始向汽車制造商客戶供應48V系統樣品,并致力于2018年度實現量產。

6、江森自控

江森自控的48V微混電池系統采用的是雙電壓結構設計,即在一輛汽車上搭載兩個電池:48V鋰離子電池與12V傳統起動電池。48V電池可以向更高功率的負荷提供電力。12V電池可為汽車起動、車內外照明和娛樂系統(如收音機和DVD播放器等)持續提供電力。

7、萬向

萬向集團的48V微混動力電池技術來自F1賽車的高功率電池技術,是在納米磷酸鐵鋰技術基礎上開發而成。該電池產品具有高功率的特性(電池的電芯功率密度為3千瓦/公斤),在低溫下表現良好,可以在最低零下30攝氏度下釋放比鉛酸電池更多的電量,并能達到持續5年的生命周期。

2017年2月,萬向一二三獲得上汽通用價值超過10億美元的260萬套48V超級磷酸鐵鋰電池訂單。該系統電池是在納米磷酸鐵鋰技術基礎上開發而成,并對負極材料研究作了改進和優化。該產品由14個8安時電芯組成,電池高度96毫米,電芯功率密度3千瓦/公斤,電池功率密度2千瓦/公斤。

8、寧德時代

寧德時代已經規劃了三代48V產品,第一代產品主要主要實現基本的啟停、加速、能量回收功能,采用12~13個10安時電芯的pack。第二代產品將實現更高的節油減排效率,在電池上采用15-30安時電芯的pack,第三代產品則將提供更多的電氣功能,在電池上將采用25-40安時的電芯pack。預計其第一代產品將在2017年實現標準化量產。

9、比亞迪

2013年,比亞迪就推出了自己的48V微混技術——綠混系統,用48V的磷酸鐵鋰電池。在這套48V電壓平臺上可以集成更多的用電設備,比如起停裝置、電動助力、LED燈具等。為了進一步降低能耗,比亞迪還將家電行業中的變頻技術應用在車輛上,比如變頻壓縮機、變頻油泵、變頻風扇等,這些變頻裝置最終可以實現節能的目的。

在綠混技術中,比亞迪還應用了一個低電壓、大扭矩、雙繞組的電機。該電機可以在48V低電壓的條件下協助發動機進行加速(傳統混動車型都需要100V以上的高電壓),從而減少燃油消耗,在剎車或減速滑行時,通過該電機來回收制動能量并對鐵電池進行充電。

通過使用48V電壓平臺以及對全車用電設備的改進,同時配合發動機啟停、制動能量回收、低滾阻風阻等技術,可以使搭載綠混技術的車輛實現百公里節油1.5升左右。

10、奧迪

奧迪全新一代A8將推出搭載48V鋰電池的混合動力版車型,此套系統與電機匹配后可擁有相比傳統混動車型更出色的性能和燃油經濟性表現,而車輛在進行諸如制動等動作時,產生的多余能量則將被儲存到48V電池組中。該系統將帶給全新一代A8車型在功率上提升16馬力,扭矩上提升60牛·米,同時在NEDC測試方案下,新車的油耗也將有0.7L/100km的下降。奧迪宣稱這套混合動力系統未來將在其家族其他車型上使用,例如全新A6、A7等。

48V的優勢總結

純電動化雖然是汽車的終極目標,但是由于高成本以及續航問題,無法在短期內大量普及。

48V輕混系統相比高壓混動系統而言,成本更低,卻可以達到高壓混動系統(電池電壓>100V)大部分節能效果,按照德爾福的測算,48V輕混系統是高壓輕混系統成本的30%,能達到高壓輕混系統70%的節能效果。

48V輕混系統的優點:

1.低于60V安全電壓,不需要采取額外的電壓防護,相對高壓混動系統,成本更低;

2.相對于12V系統,相同功率下工作電流只有1/4,損耗只有12V系統的1/16;

3.由于BSG/ISG的電功率輔助,可以進一步縮小發動機的體積,進而降低排放;

4.可以將傳統發動機上的高負載附件電動化,比如空調壓縮機、冷卻水泵、真空泵等,降低發動機的負載,即使在發動機關閉的情況下,這些設備也能工作;

5.將車載電器工作電壓提升到48V,可以進一步降低損耗,同時可以降低線束外徑;

6.可以支持更大功率的車載設備。

7.可以渦輪電動化,進一步提高發動機的效率,并且不會有渦輪增壓器延遲現象;

8.BSG/ISG點火時間更短,更低噪音和更小震動。

9.48V Belt Starter Generator(BSG)容易替代原有的12V Belt Starter Generator,無需大幅更改設計即可配套。

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