目前混動(dòng)汽車(HEV)和純電動(dòng)汽車(EV)的設(shè)計(jì)非常引人注目,但是汽車行業(yè)也有一個(gè)不太明顯但是意義重大的發(fā)展趨勢(shì):在動(dòng)力系統(tǒng)中增加48V直流(DC)總線。48V不僅適用于混動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車,更多普通的內(nèi)燃汽車也將采用這種技術(shù),從圖1可以看出純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車的市場(chǎng)份額不斷增長(zhǎng)。
圖1:電動(dòng)汽車市場(chǎng)(包括純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車)預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年會(huì)迅速增長(zhǎng),48V的采用將成為有利于增長(zhǎng)的一個(gè)要素(:Delphi科技)
工程師和汽車機(jī)械師從小就接觸無(wú)處不在的12V電池和汽車零部件(這是已有100多年歷史的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)),但是不需要擔(dān)心12V系統(tǒng)不會(huì)很快消失,然而在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)12V可能會(huì)和48V系統(tǒng)共存。
那么48V系統(tǒng)有哪些獨(dú)特之處呢?答案需要從電力的角度來(lái)看,回到歐姆定律、壓降(V=IR)、功率(P=IV)和損耗功率(P=I²R)有關(guān)的物理定律上來(lái),雖然壓降(損耗)隨電流線性增加,功率損耗隨電流的平方而增加,但是輸送功率需要電流和電壓來(lái)決定,簡(jiǎn)而言之在給定電壓下輸出更多的功率需要更大的電流,而電流越大,壓降越高,功率損失也不可恢復(fù)。
這并不是一個(gè)新的發(fā)展方向,電力領(lǐng)域的解決方案提供商早就熟知這些,這也是他們?yōu)槭裁床捎酶唠妷旱脑颍麄儗で鬄槁窡粝到y(tǒng)、家庭和工業(yè)場(chǎng)所供電更好的解決方案,但是對(duì)于汽車而言從可充電鉛酸電池獲取12.6V(標(biāo)稱值)電壓是一個(gè)很好的折中方案,可以兼顧體積、容量(安培小時(shí))、成本、壽命和安全等因素。
然而現(xiàn)在的汽車需要比幾年前的汽車更多的動(dòng)力,除了發(fā)動(dòng)機(jī)、燈、收音機(jī)、電動(dòng)天窗、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、網(wǎng)絡(luò)和信息娛樂(lè)等基本功能,現(xiàn)在還會(huì)集成很多其他安全便捷的功能,這些功能通常會(huì)歸入高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)范疇內(nèi),ADAS系統(tǒng)對(duì)電池提出了更高的要求,需要更多的電力,因此采用12V電源為各種核心部件和外設(shè)供電會(huì)造成更大的電流,然而在12V下保持IR下降和I²R功率損失在可接受的水平的方法是采用更粗的電線、更多的銅制材料和更大的連接器,這反過(guò)來(lái)意味著成本、體積的增加,在車輛系統(tǒng)內(nèi)會(huì)顯得更加的擁擠。
48V供電是新的12V形式嗎?
經(jīng)過(guò)了大量的分析行業(yè)內(nèi)決定采用48V作為新的電源系統(tǒng),與傳統(tǒng)的12V鉛酸電池不同,48V電池采用鋰電池,具有更高的重量和體積能量密度,比較有名的是“mild Hybrid(微混或者輕混)”(圖2)。
圖2:在某些方面12V/48V微混系統(tǒng)是一個(gè)折中的方案,但與其他折中方案不同,這種方案有很多的優(yōu)勢(shì),降低成本,提升效益和回報(bào)率(:Delphi科技)
在這種方法中,48V電池——按照汽車標(biāo)準(zhǔn)LV148的規(guī)定——作為補(bǔ)充與12V鉛酸電池結(jié)合使用(這樣能夠提供3KW的額定功率),如圖3所示。12V電池和48V電池將連同他們的配電線束一起使用,在需要功率輸出的時(shí)候兩塊電池都提供能量輸出,比如12V總線可以為點(diǎn)火、照明和信息娛樂(lè)系統(tǒng)提供電源,而48V總線將負(fù)責(zé)底盤控制系統(tǒng)、空調(diào)、調(diào)整懸架、回收制動(dòng)能量、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)增壓器和渦輪等。
圖3:雙電壓微混方式將有效分配電壓和可用的功率,從效率和運(yùn)行的角度來(lái)看這是最有意義的(:Delphi科技)
考慮一個(gè)基本組件:發(fā)動(dòng)起啟動(dòng)器,48V電池如何改變發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的基本架構(gòu),從而更好的增強(qiáng)啟停效果,這種方式有利于減少在紅綠燈和停車等待時(shí)的燃油消耗,進(jìn)一步增強(qiáng)燃油效率。在大多數(shù)只有12V電池的汽車中電池為啟動(dòng)器提供動(dòng)力,交流發(fā)電機(jī)作為充電器,然而48V和12V的組合使用可以提供高達(dá)10KW的功率,啟動(dòng)電機(jī)和獨(dú)立的交流發(fā)電機(jī)被集成的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)(ISG)或帶式啟動(dòng)發(fā)電機(jī)所取代,48V鋰離子電池和雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)被封裝在堅(jiān)固的盒子內(nèi),這其實(shí)是一種弱混動(dòng)力系統(tǒng),與內(nèi)燃機(jī)協(xié)同工作。它可以提供三分之二的好處,但是只有三分之一的成本,而經(jīng)濟(jì)效益增加了15%到20%。
同時(shí)選擇48V也引出兩個(gè)問(wèn)題:為什么不從12V直接改為24V呢?既然更高的電壓能帶來(lái)更多的好處,那為什么把電壓限制在48V呢?對(duì)于這些問(wèn)題有很多不同的回答。
大約在10年前關(guān)于24V的討論非常的激烈,一些主要廠商甚至開(kāi)始生產(chǎn)24V連接器、開(kāi)關(guān)、繼電器和其他基礎(chǔ)部件。但是采用24V的好處并不足以支持這種改動(dòng)。此外關(guān)于汽車是否應(yīng)該完全淘汰12V電池僅采用24V電池,還是讓它們共存,這個(gè)爭(zhēng)論一直未解決。
至于48V以上會(huì)存在用戶安全問(wèn)題,在大多數(shù)地區(qū)超過(guò)60V的直流電壓被認(rèn)為是潛在的不安全因素,因此需要特殊的接線注意事項(xiàng)、安全鎖、使用導(dǎo)管和物理屏蔽等。盡管48V系統(tǒng)實(shí)際上可能達(dá)到略低于60V的峰值,但它被認(rèn)為是安全的,從而避免了這方面的問(wèn)題(注意對(duì)于純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車與主電池相關(guān)的電壓會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)60V,因此設(shè)計(jì)中考慮了所有安全規(guī)則和預(yù)防措施),48V是傳統(tǒng)微混系統(tǒng)所能達(dá)到的最高水平,從而避免額外的安全相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持
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