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汽车为何会爱上48V系统?

发布日期:2024-04-26 07:11:07 作者: 江南全站登录

  汽车在1918年引入蓄电池,到1920年逐渐普及,当时的电池电压是6V。后来,随着内燃机排量的增加以及高压缩比内燃机的出现,6V系统已经不能够满足需求,于是在1950年引入了12V系统。

  到了1988年,SAE(Society of Automotive Engineers)提议把标准电压提高至42V,但是由于种种限制,响应者寥寥。后来,即使随着电气设备的增加,电池已经不能够满足车身设备的功率需求的情况下,汽车企业采取了切断大功率负载的方法来降低电池的负荷。

  12V电压系统在引入启停机构之后,基本已达到了功率输出极限,如果在12V电压下引入轻混系统,功率需求在10kW~15kW左右,这样的电压下电池的输出电流高达1000A,显然行不通。

  为什么是48V呢?因为60V是安全电压,也就是说只要低于60V的电压不需要采取额外的安全保护措施,48V电池的充电电压最高56V,已经很接近60V,即48V电池电压是安全电压下的最高电压等级了。

  48V电源系统比12V电源系统能够储存更多电量,在配备启停系统的车上能轻松实现长时间关掉发动机,减少出现电池的电量过低而频繁起动发动机充电的情况(如果不充电就无法起到发动机了),从而避免浪费过多的燃油。

  当然48V系统的出现并不是说明12V系统已经被淘汰,而是在保留之前12V系统的基础上,再增加了一套48V系统来支持弱混和中混系统的。

  此外,在排放法规中,欧盟要求最为严格,到2020年百公里油耗要降至4L,每公里二氧化碳排放低至95g。显然单纯靠提高发动机的燃油效率达到排放目标基本是不可能完成的任务,汽车混动化,纯电动化是最佳技术路线了。纯电动化虽然是汽车的终极目标,但是由于高成本以及续航问题,无法在短期内大量普及。

  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。

  48V轻混系统相比高压混动系统而言,成本更低,却能够达到高压混动系统(电池电压100V)大部分节约能源的效果,按照德尔福的测算,48V轻混系统是高压轻混系统成本的30%,能达到高压轻混系统70%的节能效果。

  1. 低于60V安全电压,不需要采取额外的电压防护,相对高压混动系统,成本更低;

  2. 相对于12V系统,相同功率下工作电流只有1/4,损耗只有12V系统的1/16;

  3. 由于BSG/ISG的电功率辅助,能更加进一步缩小发动机的体积,进而降低排放;

  4. 可以将传统发动机上的高负载附件电动化,比如空调压缩机、冷却水泵、真空泵等,降低发动机的负载,即使在发动机关闭的情况下,这些设备也能工作;

  5. 将车载电器工作电压提升到48V,能更加进一步降低损耗,同时可以降低线. 可以支持更大功率的车载设备。

  7. 可以涡轮电动化,进一步提高发动机的效率,并且不会有涡轮增压器延迟现象;

  随着技术的进步,厂商开始将12/48V双电压系统进化到48V单电压系统。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  未来10年,启停技术和混合动力技术将急速发展,这些技术正是48V系统的最佳应用区间。

  48V系统可以带来系统部件的优化、更多附件和作动器的电气化以及诸如后轮转向系统的新功能的加入,而且可以带来较好的节能减排效果。但48V系统并不会带来特别大的成本压力,主要压力仍是各种功能性电气部件的集成成本。

  企业方面,目前已经有多家零部件厂商和整车厂商正在开发和应用48V微混系统。

  大陆是48V系统的先行者,大陆集团的48V微混系统采用所谓的“P0” 结构,该系统被安置在原起动电机的位置,通过皮带与发动机曲轴相连接,因此其与现有的内燃机进行集成十分方便。由于设计十分紧凑,这套系统所占用的空间仅相当于传统的起动电机的大小。

  2017年年底之前,雷诺Scénic(风景)及Grand Scénic(大风景)将搭载大陆48V柴油版混动系统。凭借该套系统,Scénic的百公里综合油耗为仅3.5升柴油,而CO2排放更是被降至92 g/km,在同级别车中无人能及。这也是48V“混合辅助系统”首次用于生产汽车。

  德尔福当前推出的是基于P0构架的48V BSG系统,并在本田Civic 1.6L柴油车上进行了验证,降低二氧化碳排放超过10%。

  2016年4月,德尔福宣布已经和2个客户达成合作,并计划在2017年量产48V系统。

  法雷奥为48V轻混系统提供了核心零部件,包括48V电动增压器、BSG、离合器、DCDC。法雷奥48伏动力总成系统由48伏电子增压器、48伏iBSG皮带式起发电一体机构成,可最大程度地回收汽车制动能量。

  日立汽车系统在2016年3月完成了面向48V中混动力汽车的锂离子电池组的基本设计。2016年新开发的48V锂离子电池组将BMS基板、电池单体、继电器、保险丝组装载于同一箱体内,具有可组装性强、可靠性高的特点。

  从2016年开始,日立汽车系统将开始向汽车制造商客户供应48V系统样品,并致力于2018年度实现量产。

  江森自控的48V微混电池系统采用的是双电压结构设计,即在一辆汽车上搭载两个电池:48V锂离子电池与12V传统起动电池。48V电池可以向更高功率的负荷提供电力。12V电池可为汽车起动、车内外照明和娱乐系统(如收音机和DVD播放器等)持续提供电力。

  万向集团的48V微混动力电池技术来自F1赛车的高功率电池技术,是在纳米磷酸铁锂技术基础上开发而成。该电池产品具有高功率的特性(电池的电芯功率密度为3千瓦/公斤),在低温下表现良好,可以在最低零下30摄氏度下释放比铅酸电池更多的电量,并能达到持续5年的生命周期。

  2017年2月,万向一二三获得上汽通用价值超过10亿美元的260万套48V超级磷酸铁锂电池订单。该系统电池是在纳米磷酸铁锂技术基础上开发而成,并对负极材料研究作了改进和优化。该产品由14个8安时电芯组成,电池高度96毫米,电芯功率密度3千瓦/公斤,电池功率密度2千瓦/公斤。

  宁德时代已经规划了三代48V产品,第一代产品主要主要实现基本的启停、加速、能量回收功能,采用12~13个10安时电芯的pack。第二代产品将实现更高的节油减排效率,在电池上采用15-30安时电芯的pack,第三代产品则将提供更多的电气功能,在电池上将采用25-40安时的电芯pack。预计其第一代产品将在2017年实现标准化量产。

  2013年,比亚迪就推出了自己的48V微混技术——绿混系统,用48V的磷酸铁锂电池。在这套48V电压平台上可以集成更多的用电设备,比如起停装置、电动助力、LED灯具等。为了逐步降低能耗,比亚迪还将家电行业中的变频技术应用在车辆上,比如变频压缩机、变频油泵、变频风扇等,这些变频装置最终可以实现节能的目的。

  在绿混技术中,比亚迪还应用了一个低电压、大扭矩、双绕组的电机。该电机可以在48V低电压的条件下协助发动机进行加速(传统混动车型都需要100V以上的高电压),由此减少燃油消耗,在刹车或减速滑行时,通过该电机来回收制动能量并对铁电池进行充电。

  通过使用48V电压平台和对全车用电设备的改进,同时配合发动机启停、制动能量回收、低滚阻风阻等技术,可以使搭载绿混技术的车辆实现百公里节油1.5升左右。

  奥迪新新一代A8将推出搭载48V锂电池的混合动力版车型,此套系统与电机匹配后可拥有相比传统混动车型更出色的性能和燃油经济性表现,而车辆在进行诸如制动等动作时,产生的多余能量则将被储存到48V电池组中。该系统将带给新新一代A8车型在功率上提升16马力,扭矩上提升60牛·米,同时在NEDC测试方案下,新车的油耗也将有0.7L/100km的下降。奥迪宣称这套混合动力系统未来将在其家族其他车型上使用,例如全新A6、A7等。

  为了降低交通领域温室气体排放,并让日本汽车厂商在全球电动汽车竞争中不落下风,日本政府提出了新的目标。近日,日本经济产业省召开官民协议会并提出,到2050年,日本汽车厂商在全球销售的乘用车都将实现电动化,即不再销售新的纯内燃机车型,而是电动汽车、燃料电池车或混合动力车。该会议由日本政府官员和经济界代表联合召开,日本经济产业大臣世耕弘成,丰田、本田、日产等日本车企高管出席。在此次会议上,日本政府正式提出了到本世纪中叶,日本乘用车“全面电动化”的目标。

  日本政府之所以提出这一目标,首先,是为了控制温室气体排放,应对气候平均状态随时间的变化。日本政府和企业达成一致,认为为了将日系车的环保性能维持在世界领先水平,有必要设立长远的目标。为实现《巴黎协定》的减排目标,日本经济产业省希望到2050年,将每辆车的平均温室气体排放量较2010年削减80%(其中乘用车削减90%)。为此,日本政府认为有必要让全世界内销售的日系车均为电气化车型。其次,电动汽车领域的全球竞争愈发激烈,日本厂商隐隐有落后的趋势。日本《朝日新闻》指出,虽然日本在混合动力车领域占据主导权,但中国、英国、法国等国家在普及电动汽车方面先行一步,率先出台了各种鼓励政策,这让日本有很强的危机感,唯恐在下一代汽车技术的研发竞争中落后。虽然电气化车型也包含混合动力车,但为了达成温室气体减排目标,普及真正零排放的纯电动汽车和燃料电池车才是关键。“日本希望能够通过在全世界内推广电气化车型,为实现全世界内的零排放作出贡献。这是一个在全球很有一定的影响力的信号,我们将全力以赴。”世耕弘成声称。

  此外,鉴于稀有金属钴在电池材料中不可或缺,为确保钴的供应,日本经济产业省官民协议会还表示,将在明年3月前建立一个新组织,届时汽车厂商们将联合采购钴。日本还将推动电池技术的研发,并制定电池评估方法指南,以便在二手电动汽车销售时能够以合适的价格进行交易。

  事实上,最早提出2050年100%电动化目标的汽车厂商是丰田。丰田在2015年发布的“丰田环境挑战2050”战略中就提出,到2050年,丰田全球新车行驶过程中平均碳排放量较2010年削减90%,并基本实现传统动力车型的零生产。两年后,丰田先进研发与工程部门主管葛巻清吾再次大胆预言,随着车企面临更严苛的环保法规,将会加速电动汽车发展,2050年市面上的新车将不再搭载传统内燃机,完全由电动马达所取代。葛巻清吾还指出,丰田正积极开发固态电池技术,并取得很多专利,这种电池体积小且容量高,被视为是电动汽车的一大突破。去年年底,丰田汽车社长丰田章男表示,希望到2030年,包括混合动力车在内的电气化车型销量占到公司总销量的50%。丰田方面预计,到2030年其电气化车型销量约为550万辆,其中450万辆油电混合动力车和插电式混合动力车,100万辆纯电动汽车和燃料电池车。

  至于日产,旗下纯电动车型聆风的全球累计销量已经突破27万辆,新一代聆风将于今年年内投放日本和欧美市场。根据日产的计划,到2023年3月底前,其电气化车型年销量将提升至100万辆,这中间还包括聆风等纯电动汽车以及搭载日产e-Power电驱动技术的车型。

  本田也不甘落后,声称2018年是其“电动化元年”,并发布了2025电动化战略。到2025年,本田将在中国推出20款以上电气化车型。本田此前还公布了“2030愿景”,即到2030年,电动化产品占本田全球销量的2/3。三菱汽车则在插电式混合动力技术方面小有名气,尤其是欧蓝德插混车。在中国,广汽三菱推出了祺智PHEV,这是一款插电混动SUV。不过,除了丰田之外,其他日本车企均未设定彻底退出传统燃油车市场的时间节点。

  对于日系车100%电动化的新目标,彭博社日前指出,电动汽车有几率会成为日本第一大产业——汽车业的“就业杀手”,尤其是对于零部件供应商而言。丰田章男去年秋季曾警告称,“百年一遇”的行业剧变将威胁到汽车业的生存。共享汽车、电动汽车和无人驾驶汽车方兴未艾,但这些都是那些依赖内燃机生存的人所惧怕的创新浪潮。此次日本政府提出到2050年禁售传统燃油车,更加剧了他们的不安。以丰田总部所在地爱知县为例,当地面临的一大难题是,电动汽车的零部件使用量较如今的普通燃油车少了约1/3,汽车业工人已经受到冲击。在爱知县,你能够找到火花塞、活塞、凸轮轴、燃油泵、喷油器和催化转换器等零部件的生产商,但电动汽车统统不需要这些。对于爱知县31万名汽车工人来说,产业变革、重组意味着缩减规模和裁员,这势必是一个痛苦的过程,将对日本工业中心地带产生深远的影响。

  电动汽车会给爱知县带来什么影响,日本经济学家还未进行正式的研究。不过,德国弗劳恩霍夫协会工业工程研究所近期对德国汽车工业进行调研分析称,假设2030年电动汽车普及率达到25%,即使有电动汽车产业创造的新工作岗位,德国依然会有9%的汽车业就业岗位被砍掉。无论最终电动汽车的普及率如何,都会有供应商无法适应这一转变而遭遇淘汰,特别是中小型企业。

  在供应链下游,很多企业的员工不足30人,在投资新业务和技术方面捉襟见肘。根据爱知县政府的一项调查显示,2017年丰田的利润创下新高,但爱知县40%的小型供应商的收入却在下降,只有15%的公司表示他们有员工在进行研究和开发工作。“与所有技术变革一样,有赢家也有输家。”麦格理公司分析师珍妮特·刘易斯说,“一些供应商能够开发一些核心部件,他们可能无需担心,但如果是制造消声器的供应商,那就很难成为赢家。”

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