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汽车48V系统的前世今生
发布时间:2019-08-26
 
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。


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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。


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


为什么选择48V系统


  • 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


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 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。


48V系统在混合动力汽车上的应用



  • 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

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。

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。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。

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。

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。

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  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。

能量管理的挑战

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。

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。

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。

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

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