48V電氣系統(tǒng) 更高電壓級別

 現(xiàn)代汽車對電源的要求日益增加，12V電氣架構(gòu)正被推向極限。因此，48V將可能是未來的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。這不僅打開了創(chuàng)新的機會大門，而且創(chuàng)造了滿足更嚴格碳排放目標(biāo)的平臺。

儒卓力ABU負責(zé)人Uwe Rahn

全球道路交通的碳排放新限值即將出臺(參見下框)。但是，汽車電氣化不采用技術(shù)創(chuàng)新的話，根本無法實現(xiàn)這些目標(biāo)，而最近國外一家著名車廠造假的碳排放丑聞，使得大眾更加擔(dān)心這個現(xiàn)實。解決方法是采用高性能的混合驅(qū)動。汽車制造商到2021年前必須實施混合驅(qū)動，否則將因無法遵守規(guī)定而面臨高額罰款。

汽車制造商碳排放限值

歐洲 (NEDC)

§2015: 130g/km

§2021: 95g/km (柴油車：3.6l/100km，汽油車：4.1l/100km)

§2025: 75g/km (預(yù)測)

§2019年后無法遵守規(guī)定應(yīng)繳納的罰款: 95歐元每克/公里

美國(溫室氣體)

§2016: 156g/km

§2025: 102g/km

§未遵守的處罰：禁止注冊

中國 (NEDC)

§2016: 164g/km (正在討論中)

§2020: 119g/km (正在討論中)

日本(JC08):

§2015: 146g/km

§2020: 117g/km (預(yù)測)

48V部分電氣系統(tǒng)

實施混合驅(qū)動的基本要求是采用48V電氣系統(tǒng)。12V發(fā)電機不再能夠滿足數(shù)量不斷增長的汽車消費者產(chǎn)品的要求。48V電源能夠采用截面面積更小的電纜，有助于減少產(chǎn)生的熱量和潛在的損耗。此外，電流水平相同時，性能提高4倍。這要求使用其它組件，如轉(zhuǎn)換電壓的DC-DC變換器，及第二電池。

要從目前的12V完全轉(zhuǎn)換到未來的全48V系統(tǒng)，在目前是不可能的。這將涉及改變所有電子系統(tǒng)和致動器，如氣囊或發(fā)動機控制器。為了繼續(xù)使用低功耗部件，許多供應(yīng)商目前還保留12V電氣系統(tǒng)。利用變換器，這兩種網(wǎng)絡(luò)都將連接。對應(yīng)的是必須采用連續(xù)功率輸出高達4kW，效率至少96%的12V/48V雙向變換器。被動空冷可確保最高效率。

此外，新的核心部件是48V電池。在這一領(lǐng)域中，新技術(shù)的開發(fā)一直突飛猛進，例如，鋰-硫或鋰-空氣電池設(shè)計。它們的初步目標(biāo)是改善充電容量和能量密度。盡管存在價格壓力，但是，這些電池預(yù)期使用壽命長，并且非常堅固，例如，在車禍中不會損壞。

輕度混合動力系統(tǒng)

據(jù)VDA報道，到2020年，大約400萬輛汽車將裝備48V部分電氣系統(tǒng);2026年，這一數(shù)據(jù)預(yù)期將增加到大約1000萬輛，全球大約每十輛汽車就有一輛是，其中大多數(shù)是輕度混合動力型號。與全混合動力型號相比，它們未設(shè)計充電功能，并且電機本身無法驅(qū)動汽車。除提供啟動幫助以外，啟動發(fā)電機還充當(dāng)制動能量換熱器，給電池充10kW電，從而降低碳排放。此外，利用換熱能量，還可以使汽車無排放運行，實現(xiàn)主動發(fā)動機關(guān)閉滑行(亦稱為航行)。根據(jù)測定指南和開車風(fēng)格，碳排放減少量可高達12%。同時，滑行大幅降低了車內(nèi)噪聲和振動，提高了駕車樂趣。換熱能量還可以用于碳中性電動增壓(e-boost)功能，即超車時，電機提供臨時的額外加速。

這些技術(shù)甚至還可以進一步實現(xiàn)消耗降低，例如，開發(fā)高度自動化和全自動化駕駛解決方案。

為了降低12V電氣系統(tǒng)的負荷，一開始在48V部分電氣系統(tǒng)中集成前擋風(fēng)玻璃加熱器以及輔助設(shè)備(如水泵、油泵和燃油泵)、轉(zhuǎn)向輔助、HVAC控制(發(fā)動機控制)和PTC加熱器將比較明智。后者對混合動力汽車尤其重要，因為電機不會產(chǎn)生用于發(fā)動機加熱器和汽車內(nèi)部的廢熱。將于2016年年底推出的電氣動態(tài)穩(wěn)定性控制，也是48V應(yīng)用必須的。

但是，最重要的決定性因子是充電器。例如，充電器使發(fā)動機規(guī)格變小，從六缸減為四缸，從而在降低二氧化碳排放中起主要作用。明年將出現(xiàn)裝備兩個廢氣渦輪增壓器和不超過兩個電動壓縮機的客車。

新要求

48V系統(tǒng)的電壓更高，要求汽車采用與檢查規(guī)則一致的全新架構(gòu)。峰值電壓必須限制在60V，過壓保護和欠壓保護是必須的，以為了防止對網(wǎng)絡(luò)中其它消費者產(chǎn)品的不良影響。必須安裝采用新絕緣技術(shù)的電纜，以抵消由此造成的間隙和爬電距離。還需要非常特殊的連接器配置，用于連接更高的電壓。在這種情況下，千萬不要忽略總體系統(tǒng)。

從部分系統(tǒng)至全48V電氣系統(tǒng)

在接下來的15年內(nèi)，將逐漸轉(zhuǎn)換為更高電壓系統(tǒng);全48V電氣系統(tǒng)汽車預(yù)期大約在2030年出現(xiàn)。如果這種部分系統(tǒng)仍然保留，為了滿足新消費者產(chǎn)品對更高功率的要求，電纜截面積規(guī)格將必須增大4倍。鑒于所需空間和重量(大約10 kg)明顯增加，從而碳排放也明顯增加，這將是完全不能接受的。成本因素也十分重要：如果電動壓縮機與12V系統(tǒng)連接，大約3kW的輸出將導(dǎo)致250A以上的電流。采用標(biāo)準(zhǔn)部件時，這是不可行的。但是，可以采用48V系統(tǒng)電動壓縮機及大約4kW輸出。

由于半導(dǎo)體部件進一步迅速發(fā)展，未來大多數(shù)消費者產(chǎn)品逐漸裝備48V技術(shù)將是可能的：

短期 ->具備新8V功能的高性能消費者產(chǎn)品：

o前擋風(fēng)玻璃 ( 1.5 KW )

oPTC ( 1.2 KW )

o電動壓縮機/ 充電器 ( 3.5KW )

中期 ->更大功率要求的12/24V消費者產(chǎn)品轉(zhuǎn)換

o電動轉(zhuǎn)向 ( 1 KW )

o動態(tài)穩(wěn)定性控制 ( 3 KW )

o發(fā)動機風(fēng)扇 ( 1.5 KW )

o燈 ( 外部)

長期 -> 所有12V應(yīng)用(包括背光加熱器)轉(zhuǎn)換為新電壓級別

這些電氣消費者產(chǎn)品可以開啟，并且不會磨損，確保其僅在實際需要時才消耗能量。如果采用了需求為導(dǎo)向的控制策略，碳排放將減少大約10%。

高壓車載電源的開發(fā)繼續(xù)發(fā)展;在可以預(yù)見的未來，快速充電器系統(tǒng)將推出800V以上電壓。它們將能夠在30分鐘內(nèi)消耗足夠能量，僅利用電力行駛大約400 km。

據(jù)一級供應(yīng)商公司預(yù)測，由于采用48V電氣系統(tǒng)、混合動力技術(shù)和各種其它措施(如重量輕的結(jié)構(gòu))，汽車制造商可以降低汽車的燃油消耗量，最多可達25%。

技術(shù)推動力

因此，一級和二級供應(yīng)商將是許多新技術(shù)新系統(tǒng)的主要開發(fā)者。特別是，德國制造商在這方面一直位列前沿，例如，博世(Bosch)開發(fā)了各種類型的發(fā)動機，全球市場領(lǐng)先公司博澤(Brose)開發(fā)了電動窗調(diào)節(jié)器電機應(yīng)用或座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)電機，而風(fēng)扇電機專家ebm-papst也開發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品。亞洲制造商另外提供了廣泛的創(chuàng)新。電機制造商日本電產(chǎn)株式會社(Nidec)的最新開發(fā)成果包括電動轉(zhuǎn)向電機和高達750W冷卻風(fēng)扇應(yīng)用。日本電裝株式會社(Denso)為汽車工業(yè)提供了范圍廣泛的高效技術(shù)、系統(tǒng)和部件。美國公司Johnson Electric是前燈步進電機及冷卻風(fēng)扇和空調(diào)系統(tǒng)電機的世界領(lǐng)先供應(yīng)商之一。然而，電動車目前最大的市場在法國。

與高電壓混合動力汽車相比，客車引入其它電壓級別，提供了前景很美好的優(yōu)點。一方面，有機會實現(xiàn)頗有吸引力且成本合理的碳減排。另一方面，可以實施目前12V設(shè)置技術(shù)上不可行的功能。這些包括電動渦輪增壓器、空調(diào)壓縮機及操作與發(fā)動機速度無關(guān)的各種泵。這意味著可以根據(jù)車輛狀況，有效地控制負荷，打開或關(guān)閉負荷。驅(qū)動能力得到顯著提高后，駕駛員將能體驗到這些功能。

就傳動系統(tǒng)集成而言，48伏電壓級別會比高電壓混合動力更易實施，同時現(xiàn)有的傳動系統(tǒng)理念亦得以保留，從而預(yù)期開發(fā)周期更短。作為實施過程的一部分，汽車制造商和供應(yīng)商目前非常重視部件和系統(tǒng)開發(fā)及系統(tǒng)集成和驗證。

總體系統(tǒng)的優(yōu)化是這方面的關(guān)鍵因素。它要求涉及的所有供應(yīng)商和合作伙伴密切合作和溝通。供應(yīng)商和儒卓力汽車業(yè)務(wù)部等合作伙伴正向前推動它們的發(fā)展。