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技術(shù)文章—電動汽車新技術(shù) 48V供電新形勢

2018-12-27
關(guān)鍵詞: 電動汽車 48V供電

  目前混動汽車(HEV)和純電動汽車(EV)的設(shè)計非常引人注目,,但是汽車行業(yè)也有一個不太明顯但是意義重大的發(fā)展趨勢:在動力系統(tǒng)中增加48V直流(DC)總線。48V不僅適用于混動汽車和純電動汽車,,更多普通的內(nèi)燃汽車也將采用這種技術(shù),,從圖1可以看出純電動汽車和混動汽車的市場份額不斷增長,。

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  圖1:電動汽車市場(包括純電動汽車和混動汽車)預(yù)計在未來幾年會迅速增長,48V的采用將成為有利于增長的一個要素(來源:Delphi科技)

  工程師和汽車機械師從小就接觸無處不在的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)不會很快消失,,然而在可以預(yù)見的未來12V可能會和48V系統(tǒng)共存。

  那么48V系統(tǒng)有哪些獨特之處呢,?答案需要從電力的角度來看,,回到歐姆定律、壓降(V=IR),、功率(P=IV)和損耗功率(P=I?R)有關(guān)的物理定律上來,,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決定,,簡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)場所供電更好的解決方案,,但是對于汽車而言從可充電鉛酸電池獲取12.6V(標(biāo)稱值)電壓是一個很好的折中方案,可以兼顧體積,、容量(安培小時),、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力,,除了發(fā)動機、燈,、收音機,、電動天窗,、電動助力轉(zhuǎn)向,、網(wǎng)絡(luò)和信息娛樂等基本功能,,現(xiàn)在還會集成很多其他安全便捷的功能,這些功能通常會歸入高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)范疇內(nèi),,ADAS系統(tǒng)對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)供電會造成更大的電流,,然而在12V下保持IR下降和I?R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,這反過來意味著成本,、體積的增加,,在車輛系統(tǒng)內(nèi)會顯得更加的擁擠。

  48V供電是新的12V形式嗎,?

  經(jīng)過了大量的分析行業(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)。

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  圖2:在某些方面12V/48V微混系統(tǒng)是一個折中的方案,,但與其他折中方案不同,,這種方案有很多的優(yōu)勢,降低成本,,提升效益和回報率(來源: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候兩塊電池都提供能量輸出,比如12V總線可以為點火,、照明和信息娛樂系統(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,、回收制動能量、驅(qū)動電動增壓器和渦輪等,。

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  圖3:雙電壓微混方式將有效分配電壓和可用的功率,,從效率和運行的角度來看這是最有意義的(來源:Delphi科技)

  考慮一個基本組件:發(fā)動起啟動器,48V電池如何改變發(fā)動機啟動器的基本架構(gòu),,從而更好的增強啟停效果,,這種方式有利于減少在紅綠燈和停車等待時的燃油消耗,進一步增強燃油效率,。在大多數(shù)只有12V電池的汽車中電池為啟動器提供動力,,交流發(fā)電機作為充電器,,然而48V和12V的組合使用可以提供高達(dá)10KW的功率,啟動電機和獨立的交流發(fā)電機被集成的啟動發(fā)電機(ISG)或帶式啟動發(fā)電機所取代,,48V鋰離子電池和雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器會被封裝在堅固的盒子內(nèi),,這其實是一種弱混動力系統(tǒng),與內(nèi)燃機協(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)濟效益增加了15%到20%,。

  同時選擇48V也引出兩個問題:為什么不從12V直接改為24V呢,?既然更高的電壓能帶來更多的好處,那為什么把電壓限制在48V呢,?對于這些問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始生產(chǎn)24V連接器,、開關(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,。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,這個爭論一直未解決,。

  至于48V以上會存在用戶安全問題,,在大多數(shù)地區(qū)超過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,、安全鎖,、使用導(dǎo)管和物理屏蔽等。盡管48V系統(tǒng)實際上可能達(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題(注意對于純電動汽車和混動汽車與主電池相關(guān)的電壓會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過60V,因此設(shè)計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)計問題。


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