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车用48V电力系统势不可挡
新一代汽车设计

【作者: 盧傑瑞】2017年09月12日 星期二

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虽然48V电力系统作为未来车用用电标准选项之一并非是最新的议题,但是在陆续被发不出来的讯息里,可以查觉到,未来车用电压排除其他电压规格,而采用48V电力系统似??已经是底定的了。


从车用电压6V、12V再到48V电力系统

先来简单回顾一下,车用电压的发展。


在1970年代的汽车已经开始导入各种电子设备,当时便出现过一次,6V电压系统与12V电压系统的车用电压标准争夺战。由於车用的电子零件,例如配有录音带卡匣的音响、车用控制电脑、定速装置、ABS…等等大量采用积体电路,使得6V电压系统无法满足日益增多的车用电器功率需求,因此败阵下来,导致汽车产业全面采用12V电压的系统。


到了1990年代,新一代的汽车设计更是朝向安全、舒适化因此更离不开各种新颖的电子设备(图一),逐渐的12V的电压系统对於电子设备的用电需求,也开始出现有点力不从心,因此美国SAE会议进行了一连串的讨论,希??把车用电气平台从现有的12V提升到42V来满足未来的需求,不过结果是失败的。原因是对於42V供电来说,是一场汽车架构的革命,在当时需要将车用所有的电子零件进行全面化革新,这无异是一场大浩劫,因此除了部分元件采用42V驱动电压之外,其馀大部分的设备仍旧维持在使用12V电压来驱动(图一)。



图一 : 依赖电力下汽车的设计,不断朝向更是朝向安全、舒适化
图一 : 依赖电力下汽车的设计,不断朝向更是朝向安全、舒适化

时至今日,环保意识大幅度抬头,油电混合动力、全电动力等等的新一代汽车被发表出来,再加上欧洲在2020年须达到95g/km法规的决议,事实上,面对这些动力,12V电压已经是无法负荷所需,因此次世代的车用电压议题又被提出来讨论,与上次1990年代不同的是,电压标准的主导者已经由美国转变成德国(图二)。



图二 : 德国德国五大车厂主导者此世代车用电压标准
图二 : 德国德国五大车厂主导者此世代车用电压标准

德国五大车厂强势推动48V电力系统

奥迪、宝马、宾士、保时捷和福斯,这5家德国汽车厂联手制定了LV148标准,并决议将LV148作为48V电力系统的标准,采用了渐进式的转换,在12V车用电气平台上透过DC/DC转换器,在架构出一层48V电压的供电系统,达到48V/12V双总成电压(图三)。



图三 : 透过DC/DC转换器,在架构出一层48V电压的供电系统,达到48V/12V双总成电压。
图三 : 透过DC/DC转换器,在架构出一层48V电压的供电系统,达到48V/12V双总成电压。

不过,42V与48V一样,属於60V以下的低压电力,当时42V电力革命时是以失败作为收场,为何时至今日48V却备受注目,更是被视为解决目前电力驱动种种问题的救星。其中的差别是,当时42V电压系统的目的在於,为车辆提供更多电力,但当时对於「更多电力」却没有迫切的需求。但是现今,环保节能的压力、随着车辆智慧化而带起的电气化趋势,各方面的系统,对於电力的需求却是相当急迫,这些都是48V所能展现出来的优势性,例如自动驾驶的应用,采用自动驾驶技术的车辆,必然会抛弃传统的液压方式而改为电控,这时如果仍旧采用12V的电压系统平台,势必无法顺利驱动与控制无人驾驶的车辆。


所以越来越多的汽车系统已经从机械或液力驱动转为电力驱动,如转向系统、启动系统、水帮浦等这些相当耗电功能应系统,这些将会从48V电压机制中供应电力,而包括传统照明和资讯娱乐等等则是由12V电气系统供应,因此12V电气系统不会很快消失。车上的电器将由12V和48V电力系统联合供电,避免因为电压的骤然改变,让全球的汽车业界出现无法因应的影响(图四)。



图四 : 车上的电器将由12V和48V电力系统联合供电
图四 : 车上的电器将由12V和48V电力系统联合供电

48V电力系统的优点已经逐渐被发掘出来,例如,目前的采用12V的电压的怠速熄火系统(start-stop system)一直被驾驶者所抱怨,尤其是在市区内行驶时,面对红绿灯或短暂停车时,怠速熄火系统的工作并不顺畅,但是当采用48V电压的供电之後,不顺畅的问题便得到大幅度的改善。除此之外,从Audi的例子中就可以感受到,48V电力系统对欧洲车厂的吸引力。原本一直困扰着德国AUDI车厂SQ7车款的涡轮增压引擎增压迟滞,在导入以电动超级充电48V电力系统的电子式双涡轮增压系统之後,这样的问题便迎刃而解,更能充分发挥出SQ7车款的高价值。


享受到充沛动力的即时输出

因此,在这种环境下,标准的12V电子系统变得越来越捉襟见肘。48V系统便逐渐被重视。在豪华车上面,这种趋势越来越明显。例如宾利车厂就用了一个48V的电池去驱动电动防倾杆系统,以达到更好的操控。而Audi也同样用了同样的电池组去为电动增压器供电。而电动增压器供电对於提高汽车的加速能力有很大的帮助。Delphi Automotive PLC的E-charger就被应用在本田的新一代设计上面,让汽车在很低的引擎转速,强化了怠速熄火系统的启动能力。


升级48V电力系统的优点是什麽,Audi认为传统使用12V电压配置与铅酸电池之组合,约可供应3kw之电能输出,能够供应一般车辆上用电低的电子设备,但其实已负荷不了现代化或是替代能源车款对於电力的需求,更负担不了电子涡轮增压器所需电力,因此才加上了这套48V电力系统配置,原厂表示这套独立48V电力系统可提供10kW电能,比12V供应的3kW电能多出几倍,如此才让喜爱驾驶的车主能够享受到充沛动力的即时输出(图五)。



图五 : 在48V电力系统下,3KW~10KW的架构驱动最适当。
图五 : 在48V电力系统下,3KW~10KW的架构驱动最适当。

更高的电压,带来的影响力也更大,一个48V的电池能够供应的汽车电量是12V电池的四倍,这样得改变,就可以强化风扇、电动助力转架、泵和压缩机使得产品更有效率,同时这对电子线束尺寸和重量也了很大的改善。在标准规定下,汽车所使用的电压如果高於60V,需要进行更多的电子方面工程,包括更高标准的抗电磁波、线管和连接器的安全需求,如此一来势必也会加重成本的负担。


如果将电压保持在这个电压以下,世界上最大的汽车零部件制造公司之一的Delphi Automotive PLC估算,轻度混合动力系统的成本能够控制在800到1200美金之间。根据拇指法则,汽车在MPG获得的燃油节省技术上面投入的成本有个期??,那就是每提高一个百分点可以支付的成本为50到100美金。这个轻度混合动力成本正是满足需求的产品。


日本车悄然从重混合动力转向

同时若怠速熄火时,锂电池储存的电能亦可分摊铅酸电池负荷,一起供应车辆电子或空调设备用电,不仅如此,由於电压提高至48V、电流较小,因此也将可使用较细的电缆,尽可能降低车辆负重。不只Audi受惠於48V电力系统而开发出更高附加价值的车种,并且将48V电力系统持续导入其他包括Q8、RS 5 TDI…等车款,包括Volkswagen的「Golf 8」、Volvo的「V40」也计画导入48V电力系统。


欧洲的汽车产业,由於各大车厂之间原本就存在横向的各种技术或商业合作,决定以48V电力系统的「LV148」作为标准之後,在未来的新车款设计与导入更为容易,面对配置100V以上高电压型电池的重混动力汽车是市场主流的日本车来说,是一个相当不错的商业策略。


当然这样的平台变化,对於发展重混合动力的日本来说,应该是一项相当大的压力,日本车厂一直在油电混合动力领域有着比较大的优势,并且在技术上引领着世界,对於轻混合动力系统则一直处於保守观??态度。目前的主流是配置100V以上高电压型电池的重混合动力汽车,采用的是100V以上的锂离子充电电池模组,虽然能使混合动力汽车(HEV)大幅提高燃油效率,但专用元件和耐压元件成本是蛮高的。虽然日系车厂转换到使用48V电力系统也会增加成本,但是相对於纯电动汽车或重混汽车的成本来说,48V电力系统可节省成本40%~60%,而且48V锂离子充电电池模组还能提高10~15%的燃油效率(图六)。



图六 : 日本目前的主流是配置100V以上高电压型电池的重混合动力汽车
图六 : 日本目前的主流是配置100V以上高电压型电池的重混合动力汽车

例如,丰田早在1997年就量产了混合动力车型PRIUS,采用了自行开发的E-CVT无段变速,如今PRIUS已经发展到了第四代,其油电混合系统有着世界顶尖的燃油消耗率。除了丰田,日本的另一家大型车厂本田也不甘落後,在最新的本田雅哥上量产了i-MMD混合动力系统,这套系统取消了传统的变速箱,由离合器片直接将动力输出,其与丰田的混合动力技术一样,能达到5L/100KM的油耗能力。


日本电池业者推出48V锂离子电池组

BOSCH方面曾表示,多家日本车厂已经向他们订购了48V轻油电混合系统,从2019年开始提供48V系统产品。虽然轻油电混合动力搭配电压更高的车载电源,虽然能够实现更高效的怠速熄火系统、动力辅助以及能量回收等功能。但从技术难度燃烧效率角度来说,日本所擅长的重油电混合动力都要高於48V轻混系统,那麽如今这些日系车厂为何要投向48V电力系统?


除了48V电力系统的压力已是不可挡之外,随着全球越来越严格的CO2排放量等有关燃效的规定生效,车厂也推动汽车动力部分的电动化。和需要高压的重混合动力系统相比,由於48V轻混合动力系统具有更容易搭载,成本也更容易控制等,与汽油车相比,轻混合动力车的二氧化碳排放量最大可降低15%左右,而且系统还增加了马达,使得汽车可以获得额外的驱动力。因此除了欧洲车厂正在积极地推动实用化外,日本车厂也不得不正视与因应这样的潮流变化。


面对48V电力系统时代的到来,日本相关业者也早就开始进行相关的准备。


48V电力系统的关键之一在於锂离子电池的技术。目前市场上的48V锂离子电池组一般由12~13个单体电池组成,多用於小型纯电动车领域如电动单车、电动机车、电动三轮车等,还有电动工具等方面。


锂离子电池技术不仅仅提供超过铅酸电池3倍以上的能量密度,在充电性能方面也优於铅酸电池,能更有效地储存汽车本身发电量。锂离子电池单体电压为3.7V,为了达到电动汽车使用的电压要求,就需要将单体电池进行串并联组成电池组,以满足电动汽车使用时需要的高能量高功率条件(图七)。



图七 : 锂离子电池组是由单体电池进行串并联组成
图七 : 锂离子电池组是由单体电池进行串并联组成

不过,串并联组成的锂离子电池组也有使用上的困扰,如果其中一个电池经过多个充电/放电周期後,其充电状态不能周期性地与其它电池平衡,最终会进入深度放电状态而导致损坏,影响到整组电池的运作甚至造成电池组故障,因此在系统上就需要进行即时电池检测(BMS: Battery Management System),来监视测量包括电压、电流、荷电状态等,当发现单一电池出现异常时,就必须更换单体电池以延长电池组的续航能力和使用寿命。


因此,日立针对中混动力汽车,开发了新一代高动力输出的48V锂离子电池组,这款新开发的48V锂离子电池组将前述的BMS功能整合到电池组中,此外还将电池单体、继电器、保险丝组装载於同一箱体内,也强化了耐低温的能力。同时日立也对电池的电极结构进行了微米级改良,形成了锂离子易於流动的结构,在不降低电极薄膜厚度的前提下,大幅的减少电阻,进而提高了输出密度。同时,日立更进一步地改良了正极、负极的材料,使得单位重量所积蓄的锂含量能够有效的提升,来增加能量密度,输出密度达到过去的1.25倍(图八)。



图八 : 日立针对中混动力汽车,开发了新一代高动力输出的48V锂离子电池组
图八 : 日立针对中混动力汽车,开发了新一代高动力输出的48V锂离子电池组

48V电力系统将以89%高成长发展

48V电力系统变得越来越流行了,而主要可以归功於被要求满足燃油经济和二氧化碳排放标准。尤其在欧洲等先进的国家,这两个方面的受到关心程度尤其高。根据协议预计到2020年,欧洲每公里的行驶带来的二氧化碳排放为95克,而中国也制定的相对应的规范,希??到2021年每公里带来的二氧化碳排饭也会低於117克,而美国则是到2025年,每公里行驶的带来的二氧化碳排放为101克(图九)。



图九 : 全球各主要工业国已订定汽车二氧化碳排放排放标准
图九 : 全球各主要工业国已订定汽车二氧化碳排放排放标准

48V电力系统取代12V电力系统带来的不仅是成本的降低,更重要的是,48V电力系统能够提供更多的电量,满足不断增加的各种汽车功能的需求。


毫无疑问,48V电力系统将会成为主流。据Technavio最新报导显示,48V电力系统的全球市场,预测2017-2021的复合年增长率(CAGR)激增89%。Technavio 的Siddharth Jaiswall认为:「日本、印度、韩国等亚太地区的国家均在研发并采用低成本的48V系统,在预测期内将大幅推动中国的市场销量。对於印度、韩国、香港和新加坡等国家和地区,在当前高电压混合动力汽车市场尚未占据市场主导地位前,48V电力系统将被大量推广采用。」


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