汽车行业意义重大的发展趋势:在动力系统中增加48V直流(DC)总线

 目前混动汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)的设计非常引人注目,但是汽车行业也有一个不太明显但是意义重大的发展趋势:在动力系统中增加48V直流(DC)总线。48V不仅适用于混动汽车和纯电动汽车,更多普通的内燃汽车也将采用这种技术,从图1可以看出纯电动汽车和混动汽车的市场份额不断增长。

 
汽车行业意义重大的发展趋势:在动力系统中增加48V直流(DC)总线
 
图1:电动汽车市场(包括纯电动汽车和混动汽车)预计在未来几年会迅速增长,48V的采用将成为有利于增长的一个要素(来源:Delphi科技)
 
工程师和汽车机械师从小就接触无处不在的12V电池和汽车零部件(这是已有100多年历史的行业标准),但是不需要担心12V系统不会很快消失,然而在可以预见的未来12V可能会和48V系统共存。
 
那么48V系统有哪些独特之处呢?答案需要从电力的角度来看,回到欧姆定律、压降(V=IR)、功率(P=IV)和损耗功率(P=I²R)有关的物理定律上来,虽然压降(损耗)随电流线性增加,功率损耗随电流的平方而增加,但是输送功率需要电流和电压来决定,简而言之在给定电压下输出更多的功率需要更大的电流,而电流越大,压降越高,功率损失也不可恢复。
 
这并不是一个新的发展方向,电力领域的解决方案提供商早就熟知这些,这也是他们为什么采用更高电压的原因,他们寻求为路灯系统、家庭和工业场所供电更好的解决方案,但是对于汽车而言从可充电铅酸电池获取12.6V(标称值)电压是一个很好的折中方案,可以兼顾体积、容量(安培小时)、成本、寿命和安全等因素。
 
然而现在的汽车需要比几年前的汽车更多的动力,除了发动机、灯、收音机、电动天窗、电动助力转向、网络和信息娱乐等基本功能,现在还会集成很多其他安全便捷的功能,这些功能通常会归入高级驾驶辅助系统(ADAS)范畴内,ADAS系统对电池提出了更高的要求,需要更多的电力,因此采用12V电源为各种核心部件和外设供电会造成更大的电流,然而在12V下保持IR下降和I²R功率损失在可接受的水平的方法是采用更粗的电线、更多的铜制材料和更大的连接器,这反过来意味着成本、体积的增加,在车辆系统内会显得更加的拥挤。
 
48V供电是新的12V形式吗?
 
经过了大量的分析行业内决定采用48V作为新的电源系统,与传统的12V铅酸电池不同,48V电池采用锂电池,具有更高的重量和体积能量密度,比较有名的是“mild Hybrid(微混或者轻混)”(图2)。
 
汽车行业意义重大的发展趋势:在动力系统中增加48V直流(DC)总线
 
图2:在某些方面12V/48V微混系统是一个折中的方案,但与其他折中方案不同,这种方案有很多的优势,降低成本,提升效益和回报率(来源:Delphi科技)
 
在这种方法中,48V电池——按照汽车标准LV148的规定——作为补充与12V铅酸电池结合使用(这样能够提供3KW的额定功率),如图3所示。12V电池和48V电池将连同他们的配电线束一起使用,在需要功率输出的时候两块电池都提供能量输出,比如12V总线可以为点火、照明和信息娱乐系统提供电源,而48V总线将负责底盘控制系统、空调、调整悬架、回收制动能量、驱动电动增压器和涡轮等。
 
汽车行业意义重大的发展趋势:在动力系统中增加48V直流(DC)总线