俯瞰“48V電氣系統(tǒng)”的前世今生
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
一開始了解這個48V系統(tǒng)，是見于以前的技術(shù)在線的文章，到2013年年底的時候，還做了一個48V電氣系統(tǒng)的合集。而我恰好有機會在這個電壓等級上，也做了充電機和DC/DC的項目，沒有太多在意，以為是歐洲車廠自己搞出來的事情，確切來說德國工程師搞出來的事情。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。不過實話說，在以一個系統(tǒng)性的角度來看問題以后，這個48V的電氣系統(tǒng)升級，恰恰也是基于排放和油耗的逼迫之下，對大多數(shù)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車較為適用而且具有前瞻性的發(fā)展方向。所以我對此不免花了一些時間，來整理資料和做一些較為深入的學(xué)習(xí)，在此做個介紹，如有錯誤，歡迎大家指出。
42V電氣系統(tǒng)如何敗北？
42V系統(tǒng)的構(gòu)思由來已久，從1990年開始，在SAE和各個地方的工程師協(xié)會就考慮在往這個方向努力，為此還制定了以下的標(biāo)準。
• 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42V系統(tǒng)的電壓。從總體來看，42V的電壓系統(tǒng)會被放棄主要有以下的原因：
1. 12V發(fā)電機經(jīng)過改進：通過液冷的方法，突破了原有的限制，使得遷移的機會成本變得更高。
2. 42V系統(tǒng)的各個部件的技術(shù)發(fā)展：技術(shù)投資是需要錢的，使用高的電壓等級，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)的嘗試明顯對供應(yīng)商的生態(tài)圈沒有足夠的刺激。
3. 42V混動系統(tǒng)對高壓混動系統(tǒng)的失敗：從當(dāng)初的概念對比可以看出，過低功率的對動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
2011年，由德國的幾個車廠聯(lián)手推動了這個48V的概念，著手制定LV148標(biāo)準。這個48V的概念，有以下的不同：48V的目的是改進原有的12V起停系統(tǒng)；48V負載上可以進行擴展，可以為長期的演進做準備，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，進行升級和改造。由于48V總線系統(tǒng)相較于12V系統(tǒng)可以提供更大的功率，因此對于發(fā)動機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)用電負載部件
NO | 類別 | 部件名 |
1 | 底盤 | 電動換檔致動器 |
2 | 電動助力方向盤（EPS） | |
3 | 電動穩(wěn)定器 | |
4 | 車高調(diào)整裝置等 | |
5 | 動力總成 | 冷卻風(fēng)扇 |
6 | 燃油泵 | |
7 | 水泵 | |
8 | 空調(diào)系統(tǒng) | PTC加熱器 |
9 | 電動空調(diào)壓縮機 | |
10 | 鼓風(fēng)機 | |
11 | 玻璃加熱器 | |
12 | 車身系統(tǒng) | 外飾燈 |
13 | 功放 |
各個系統(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)其實是成本。從技術(shù)難度來看，48V系統(tǒng)繞開了混合動力系統(tǒng)最為討厭的電氣安全這一課題。
• 從法規(guī)上來看，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（UNECE）制定的電動汽車安全標(biāo)準“ECE-R100”中規(guī)定，電壓超過60V時，觸電時就會對人體產(chǎn)生嚴重影響，因此要謹慎采取措施來確保安全。這些措施，將限制相關(guān)系統(tǒng)的布置，所以繞開這個限制，將對整車企業(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。
• 從器件上來看，半導(dǎo)體部件在耐壓超過100V時也會導(dǎo)致成本迅速上漲，但使用48V電源時，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。
48V的電壓等級是按照以下劃分的
• >60V : 過壓會引起安全危險，所以48V電氣系統(tǒng)都需要以此為紅線。
• 54V~58V :過壓保護階段，此段電壓范圍內(nèi)，器件應(yīng)處于保護狀態(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
部件 | DC-DC | 48V電池組 | 逆變器 | 發(fā)電機電機 |
供應(yīng)商 | 博世 | 博世TBD | 博世 | 博世 |
大陸 | 大陸SKI | 大陸 | 大陸 | |
舍弗勒 | 舍弗勒TBD | 舍弗勒 | ||
海拉 | A123 | 麥格納 | ||
江森自控 | 法雷奧 | |||
三星SDI | 麥格納 | |||
整個系統(tǒng)的開發(fā)，從本質(zhì)上而言，是從整車廠到一級供應(yīng)商再到二級供應(yīng)商整合的過程。理智上來說，這就是一個生態(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微型混合動力車用鋰離子充電電池模塊。
2. 2013年4月，德國舉辦研討會《ElectricElectronic 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)電機兼馬達，海拉公司展出48V12V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)電機兼馬達支持48V電源。
5. 2013年11月，SAE的 2013 Electric Powertrain Technologies Symposium在德國舉辦了48V化的國際會議“Automotive 48V Power Supply Systems”。
6. 2013年11月，東京車展德國舍弗勒集團展出了第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”。
關(guān)于發(fā)展趨勢
目前車展上是有一些概念車（奧迪A7iHEV、三菱“Concept AR”）來展示整個系統(tǒng)，并且最先在2016年能在寶馬的七系上面能看到。所以個人以為，整個系統(tǒng)最重要的障礙還是在于成本；短期來看這部分的成本，如果真得能夠?qū)崿F(xiàn)1000歐元的計劃，這里面大部分的成本是整車企業(yè)為了實現(xiàn)整體的排放和油耗，犧牲利潤率。所以從事實來看，最為積極的確實是豪華車的諸強，寶馬、戴姆勒和奧迪。整個系統(tǒng)對我而言，也較為復(fù)雜，我拿我比較理解的電池系統(tǒng)和DC-DC來說。
1. DC-DC：在中混系統(tǒng)里面，我不太看好這個部件能夠單獨存在。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：目前的預(yù)估是在200A～210A，約2.5KW左右。
o 拓撲：全橋和雙向的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)是整個系統(tǒng)中，最為昂貴的系統(tǒng)，所以也就面臨更多的機會和挑戰(zhàn)。
o 風(fēng)冷系統(tǒng)：別無選擇，高功率的輸出，使得散熱設(shè)計面臨巨大的挑戰(zhàn)。
o 一體化的電池管理系統(tǒng)：繼電器（如果可能，會使用半導(dǎo)體開關(guān)來取代繼電器）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)的安全級別較高，根據(jù)不同的風(fēng)險評估，將會對整個開發(fā)過程產(chǎn)生大的影響。
圖5 部分DC-DC 拓撲
圖6 電池系統(tǒng)方案
最后，值得欣喜的事情是，大部分的國內(nèi)整車企業(yè)也在調(diào)研48V系統(tǒng)，當(dāng)然這和BoschConti兩家在國內(nèi)的拓展不無關(guān)系。期待未來兩年內(nèi)，更多的方案以及案例出現(xiàn)。對于國內(nèi)的汽車電子和動力電池企業(yè)來說，也是一個黃金般的機會。
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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