汽车48V系统现状和未来趋势

汽车48V系统现状和未来趋势汽车48V系统现状和未来趋势
2017-04
一、48V系统的发展和背景轿车电气平台发展历程 (1)
1.1、1970前--1970s (1)
1.2、1990s--42V系统构思 (1)
1.3、2000s--12V系统 (2)
1.4、2010s-48V系统提出 (2)
1.5、2010后-48V系统整合完善 (2)
1.6、严格的节能法规推动48V系统发展 (2)
1.7、车用电器的不断集成推动48V系统发展 (3)
1.8、混合动力汽车的发展促进48V系统的应用 (4)
1.9、为什么选择48V系统 (4)
1.10、48V系统具有较大节能潜力 (4)
二、48V系统架构与原理 (5)
2.1、现阶段48V系统架构 (5)
2.2、48V系统在混合动力汽车上的应用 (5)
2.3、由12V/48V双电压系统到48V单电压系统 (6)
2.4、48V系统的节能原理 (6)
三、48V系统技术挑战与设计建议 (9)
3.1、安全电压控制 (9)
3.2、能量管理的挑战 (10)
3.3、电弧放电 (10)
3.4、接地失效 (11)
3.5、双电压系统CAN总线通讯 (12)
3.6、电磁兼容EMC (12)
3.7、其他挑战 (12)
四、48V系统未来发展趋势 (13)
4.1、48V系统的应用区间 (13)
4.2、推广48V系统带来的影响 (14)
4.3、各厂商对48V技术开发的投入变化 (15)
4.4、整车厂的应用 (15)
五、各国对48V系统的不同态度 (16)
5.1、欧洲--大力推行 (16)
5.2、美、日--态度一般 (17)
5.3、中国--车企积极开展集成匹配，核心部件研发暂时空白 (17)
汽车48V系统现状和未来趋势
2017-04
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。

一、48V系统的发展和背景轿车电气平台发展历程
1.1、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
1.2、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
1.3、2000s--12V系统
回归12V系统
启停技术出现
1.4、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
1.5、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%)
1.6、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。

1.7、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。

1.8、混合动力汽车的发展促进48V系统的应用
1.9、为什么选择48V系统
1.10、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
二、48V系统架构与原理
2.1、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。

2.2、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。

2.3、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。

2.4、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系统通电电流为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。

三、48V系统技术挑战与设计建议
3.1、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。

3.2、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。

3.3、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)
3.4、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。

3.5、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。

3.6、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。

3.7、其他挑战
※成本控制
- 研发投入
- 复杂的电器结构的开发
- 浮动成本
※重量增加
- DC/DC转换器重量
- 48V电池的重量
- 增加的线圈重量
※维护成本
四、48V系统未来发展趋势
4.1、48V系统的应用区间
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。

4.2、推广48V系统带来的影响
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。

4.3、各厂商对48V技术开发的投入变化
2014年，53%以上的厂商加大了对48V技术的开发。

同时，各厂商也开始寻求技术合作，共同开发48V系统。

48V系统相关设计、部件等都得到了很大的发展。

4.4、整车厂的应用
大众公司
计划于11月推出的2017款搭载48V系统的高尔夫GTI
该车将搭载大陆公司的48V/12V电气系统，具有智能能量回收系统、加速辅助系统、进阶启停系统和不同行驶状态的驱动策略。

未来大众与大陆也会继续探索48V系统在重混HEV和插电式PHEV上的应用。

五、各国对48V系统的不同态度
5.1、欧洲--大力推行
由于欧洲严格的节能环保法规以及基于传统内燃机汽车的技术积累，欧洲在占领未来4 8V市场方面也有较大的而潜力。

5.2、美、日--态度一般
共性阻力
CO2法规相对松弛
美国：2020年113g/km，2025年93g/km；
日本：2020年112g/km，2025年112g/km；
汽车电子厂商
美日技术路线与欧洲有所区别，技术投入方向不同，导致美日供应商与德国供应商的技术水平有一定差距。

个性阻力
美国
42V系统的失败令美国人在车用电气系统改革方面更为谨慎；
日本
发展方向为混合动力技术，先进的混合动力技术可保证未来20年内满足法规要求。

5.3、中国--车企积极开展集成匹配，核心部件研发暂时空白
目前国内整车企业在48V系统上有搭载测试，但是我国汽车电子供应商实力相对薄弱，在自主研发领域暂时空白。

未来在环境、能源和法规的压力和中国汽车智能化的大力推进的环境下，48V系统在国内具有非常大的应用潜力。