俯瞰“48V電氣系統(tǒng)”的前世今生

42V電氣系統(tǒng)如何敗北？

一開始了解這個(gè)48V系統(tǒng)，是見于以前的技術(shù)在線的文章，到2013年年底的時(shí)候，還做了一個(gè)48V電氣系統(tǒng)的合集。而我恰好有機(jī)會(huì)在這個(gè)電壓等級(jí)上，也做了充電機(jī)和DC/DC的項(xiàng)目，沒有太多在意，以為是歐洲車廠自己搞出來(lái)的事情，確切來(lái)說(shuō)德國(guó)工程師搞出來(lái)的事情。再看看10年以前，2000左右由歐美引導(dǎo)的42V系統(tǒng)的失敗，不由有了一些偏見。不過實(shí)話說(shuō)，在以一個(gè)系統(tǒng)性的角度來(lái)看問題以后，這個(gè)48V的電氣系統(tǒng)升級(jí)，恰恰也是基于排放和油耗的逼迫之下，對(duì)大多數(shù)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車較為適用而且具有前瞻性的發(fā)展方向。所以我對(duì)此不免花了一些時(shí)間，來(lái)整理資料和做一些較為深入的學(xué)習(xí)，在此做個(gè)介紹，如有錯(cuò)誤，歡迎大家指出。

42V電氣系統(tǒng)如何敗北？
42V系統(tǒng)的構(gòu)思由來(lái)已久，從1990年開始，在SAE和各個(gè)地方的工程師協(xié)會(huì)就考慮在往這個(gè)方向努力，為此還制定了以下的標(biāo)準(zhǔn)。
? J2622 Battery Connections for 42 Volt Electrical Systems Tests and General Performance Requirements
? J2576 Blade Fuses - 42 V System
? J2651 Jump Start Connections for 42 Volt Electrical Systems

其歷程也紅紅火火一陣子，但是最終歸于沉寂，在某些部件上面倒是留存下來(lái)42V系統(tǒng)的電壓。從總體來(lái)看，42V的電壓系統(tǒng)會(huì)被放棄主要有以下的原因：
1. 12V發(fā)電機(jī)經(jīng)過改進(jìn)：通過液冷的方法，突破了原有的限制，使得遷移的機(jī)會(huì)成本變得更高。
2. 42V系統(tǒng)的各個(gè)部件的技術(shù)發(fā)展：技術(shù)投資是需要錢的，使用高的電壓等級(jí)，需要從用電附件、連接器和功率電子部件，很多層面去解決問題，當(dāng)初整車企業(yè)的嘗試明顯對(duì)供應(yīng)商的生態(tài)圈沒有足夠的刺激。
3. 42V混動(dòng)系統(tǒng)對(duì)高壓混動(dòng)系統(tǒng)的失?。簭漠?dāng)初的概念對(duì)比可以看出，過低功率的對(duì)動(dòng)力總成的提升用處不大，并沒能直接反映到油耗上去，有兩個(gè)曾經(jīng)的例子較為典型，其架構(gòu)如圖1所示：
1. GM Silverado/Sierra: 42V FAS, E/HPS at 42V
2. Toyota Crown mild hybrid: 42V B-ISG drives steering

圖1 汽車工業(yè)第一代中混系統(tǒng)

48V系統(tǒng)的前世今生及未來(lái)

48V系統(tǒng)的前世今生
2011年，由德國(guó)的幾個(gè)車廠聯(lián)手推動(dòng)了這個(gè)48V的概念，著手制定LV148標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)48V的概念，有以下的不同：48V的目的是改進(jìn)原有的12V起停系統(tǒng)；48V負(fù)載上可以進(jìn)行擴(kuò)展，可以為長(zhǎng)期的演進(jìn)做準(zhǔn)備，如圖2所示。

圖2 48V系統(tǒng)概覽

48V系統(tǒng)的兩條路徑
48V系統(tǒng)的第一條路徑，是在原有歐洲較為普遍采用的Start-Stop的基礎(chǔ)上，進(jìn)行升級(jí)和改造。由于48V總線系統(tǒng)相較于12V系統(tǒng)可以提供更大的功率，因此對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)狀況的改善也就有了較大的提高。

圖3 BSG和ISG系統(tǒng)

48V系統(tǒng)的第二條路徑，是將原有的42V系統(tǒng)的用電器件替換掉，并且把一些潛在的大功率12V器件給替換掉。

表1 可能潛在的48V系統(tǒng)用電負(fù)載部件

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48V系統(tǒng)的重重挑戰(zhàn)

各個(gè)系統(tǒng)單元的技術(shù)挑戰(zhàn)
將原有的12V系統(tǒng)遷移到48V系統(tǒng)，最大的挑戰(zhàn)其實(shí)是成本。從技術(shù)難度來(lái)看，48V系統(tǒng)繞開了混合動(dòng)力系統(tǒng)最為討厭的電氣安全這一課題。
? 從法規(guī)上來(lái)看，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（UNECE）制定的電動(dòng)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)“ECE-R100”中規(guī)定，電壓超過60V時(shí)，觸電時(shí)就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此要謹(jǐn)慎采取措施來(lái)確保安全。這些措施，將限制相關(guān)系統(tǒng)的布置，所以繞開這個(gè)限制，將對(duì)整車企業(yè)的車型開發(fā)產(chǎn)生很積極的影響。
? 從成本上看，由于安全需求，超過60V則必須為線纜及連接器等設(shè)置較厚的絕緣皮膜，并考慮平衡接地的問題。
? 從器件上來(lái)看，半導(dǎo)體部件在耐壓超過100V時(shí)也會(huì)導(dǎo)致成本迅速上漲，但使用48V電源時(shí)，就可將耐壓控制在100V以下。原有的部分為42V系統(tǒng)開發(fā)的半導(dǎo)體器件，也可以有效利用起來(lái)。

48V的電壓等級(jí)是按照以下劃分的
? >60V : 過壓會(huì)引起安全危險(xiǎn)，所以48V電氣系統(tǒng)都需要以此為紅線。
? 54V~58V :過壓保護(hù)階段，此段電壓范圍內(nèi)，器件應(yīng)處于保護(hù)狀態(tài)。
? 52V~54V :上限電壓階段，部分關(guān)鍵功能完整。
? 36V~52V :正常工作電壓范圍。
? 24V~36V :下限電壓階段，部分關(guān)鍵功能完整。
? 20V~24V :低壓階段，此時(shí)48V電池狀態(tài)已經(jīng)很差了。

圖4 48V系統(tǒng)電壓分布

表2 系統(tǒng)主要部件供應(yīng)商表

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整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)，從本質(zhì)上而言，是從整車廠到一級(jí)供應(yīng)商再到二級(jí)供應(yīng)商整合的過程。理智上來(lái)說(shuō)，這就是一個(gè)生態(tài)圈，從鋰電池單體、功率芯片和磁性材料。2013年，48V的發(fā)展動(dòng)態(tài)如下：????
1. 2013年1月，底特律車展江森自控發(fā)布48V微型混合動(dòng)力車用鋰離子充電電池模塊。
2. 2013年4月，德國(guó)舉辦研討會(huì)《Electric&Electronic Systems in Hybrid and Electric Vehicles and Electrical Energy Management》
3. 2013年5月，“人與車科技展” 麥格納展出為12kW的發(fā)電機(jī)兼馬達(dá)，海拉公司展出48V&12V雙向轉(zhuǎn)換的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
4. 2013年9月， 博世和大陸展示了支持48V電源的技術(shù)，法雷奧發(fā)電機(jī)兼馬達(dá)支持48V電源。
5. 2013年11月，SAE的 2013 Electric Powertrain Technologies Symposium在德國(guó)舉辦了48V化的國(guó)際會(huì)議“Automotive 48V Power Supply Systems”。
6. 2013年11月，東京車展德國(guó)舍弗勒集團(tuán)展出了第2代48V系統(tǒng)的概念模型。三菱汽車展出了將48V系統(tǒng)概念車“Concept AR”。

48V系統(tǒng)到底有沒有未來(lái)

關(guān)于發(fā)展趨勢(shì)
目前車展上是有一些概念車（奧迪A7iHEV、三菱“Concept AR”）來(lái)展示整個(gè)系統(tǒng)，并且最先在2016年能在寶馬的七系上面能看到。所以個(gè)人以為，整個(gè)系統(tǒng)最重要的障礙還是在于成本；短期來(lái)看這部分的成本，如果真得能夠?qū)崿F(xiàn)1000歐元的計(jì)劃，這里面大部分的成本是整車企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)整體的排放和油耗，犧牲利潤(rùn)率。所以從事實(shí)來(lái)看，最為積極的確實(shí)是豪華車的諸強(qiáng)，寶馬、戴姆勒和奧迪。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)我而言，也較為復(fù)雜，我拿我比較理解的電池系統(tǒng)和DC-DC來(lái)說(shuō)。

1.? DC-DC：在中混系統(tǒng)里面，我不太看好這個(gè)部件能夠單獨(dú)存在。一種可能是集成在電池組里面，另外一種可能是集成在逆變器里面。
o 功率等級(jí)：目前的預(yù)估是在200A～210A，約2.5KW左右。
o 拓?fù)洌喝珮蚝碗p向的Buck-Boost是很難滿足成本的目標(biāo)的。
2. 電池系統(tǒng)：由于電池系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中，最為昂貴的系統(tǒng)，所以也就面臨更多的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。
o 風(fēng)冷系統(tǒng)：別無(wú)選擇，高功率的輸出，使得散熱設(shè)計(jì)面臨巨大的挑戰(zhàn)。
o 一體化的電池管理系統(tǒng)：繼電器（如果可能，會(huì)使用半導(dǎo)體開關(guān)來(lái)取代繼電器）控制也要納入其中，如果DC-DC也被納入其中，整個(gè)BMS需要完成的功能多了不少。
o 功能安全：涉及安全系統(tǒng)的EPS加入，電池系統(tǒng)的安全級(jí)別較高，根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將會(huì)對(duì)整個(gè)開發(fā)過程產(chǎn)生大的影響。

圖5 部分DC-DC 拓?fù)?/p>

圖6 電池系統(tǒng)方案

最后，值得欣喜的事情是，大部分的國(guó)內(nèi)整車企業(yè)也在調(diào)研48V系統(tǒng)，當(dāng)然這和Bosch&Conti兩家在國(guó)內(nèi)的拓展不無(wú)關(guān)系。期待未來(lái)兩年內(nèi)，更多的方案以及案例出現(xiàn)。對(duì)于國(guó)內(nèi)的汽車電子和動(dòng)力電池企業(yè)來(lái)說(shuō)，也是一個(gè)黃金般的機(jī)會(huì)。

參考文件
1. 12V/14V to 36V/42V Automotive System Supply Voltage Change and the New Technologies
2. Impact of 42 Volts on Connection Systems John Yurtin August 5, 2003
3. 2014-01-1890 Specification and Design of a Switched Reluctance 48 V Belt Integrated Starter Generator (B-ISG) for Mild Hybrid Passenger Car Applications John Kelly, Peter Scanes, and Paul Bloore Controlled Power Technologies
4. 2014-01-1790 Application of 48 Volt for Mild Hybrid Vehicles and High Power Loads Malte Kuypers Delphi Automotive
5. 2003-01-2307 A Comparative Study of the Production Applications of Hybrid Electric Powertrains
6. 48V HEV system introduction and Infineon approach for 48V

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