行業(yè)新聞
適用于輕混的48V動(dòng)力系統(tǒng)
2018年08月22日
業(yè)界共識(shí)，汽車CO2排放量需要通過減少平均油耗來降低，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一就是采用混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。在這一趨勢(shì)下，48V系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在安森美看來，減去了發(fā)動(dòng)機(jī)和對(duì)應(yīng)的功率電子，高壓功率電子的需求將會(huì)隨之上漲。
在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）中，動(dòng)力系統(tǒng)必須能夠在非常寬泛的功率和速度條件范圍內(nèi)運(yùn)行，這通常以“轉(zhuǎn)矩-速度”曲線來表示。而混合動(dòng)力系統(tǒng)則是對(duì)多重動(dòng)力源進(jìn)行布置，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)子系統(tǒng)性能的整體優(yōu)化。其電動(dòng)力源可提供非常高的轉(zhuǎn)矩，且在汽車加速時(shí)可發(fā)揮作用，但可隨時(shí)切斷電源。所涉及的具體時(shí)間取決于電池大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。借助這種可產(chǎn)生動(dòng)力源的高轉(zhuǎn)矩，ICE尺寸得以顯著縮小。這使其燃油能效也大大提升。然而，添加電動(dòng)力源并非簡(jiǎn)單的工程問題，需要更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法。
總體來說，48V系統(tǒng)是通過添加高壓（～350V）電池和直接耦合至ICE動(dòng)力系統(tǒng)的高性能電機(jī)，提高了整體的電氣化程度。這些“全”混合動(dòng)力汽車的定義類別一直是節(jié)能汽車，且從提升能效角度看也頗具吸引力。但是，它們也使汽車的成本和重量大大增加。
于是乎，48V汽車系統(tǒng)架構(gòu)得到了相當(dāng)多的關(guān)注。因?yàn)樵撓到y(tǒng)以更低的成本和最佳的效率提升，成為了各大車企找到的技術(shù)突破口。通常情況下，稱它們?yōu)椤拜p度混合動(dòng)力（Mild Hybrids）”，但當(dāng)在更低的功率級(jí)別下設(shè)計(jì)時(shí)，也可歸類為“微混合動(dòng)力（Micro Hybrids）”。它們采用相對(duì)緊湊的48V電池、高性能電機(jī)以及至少一個(gè)額外的48V電氣化子系統(tǒng)。
雙電壓系統(tǒng)使大量的新配置成為可能
48V架構(gòu)的選擇相當(dāng)寬泛，且應(yīng)用在不斷增加。最基礎(chǔ)的48V系統(tǒng)包括一塊電池、一個(gè)起動(dòng)發(fā)電機(jī)、一個(gè)48V至12V轉(zhuǎn)換器，且通常至少有一個(gè)48V負(fù)載。由于48V汽車仍然保留12V電池和多個(gè)12V負(fù)載，因此目前多數(shù)以雙電壓系統(tǒng)的形式存在。
憑借雙電壓系統(tǒng)，大量的新配置成為可能。由于48V系統(tǒng)能夠提供更高的功率水平，因此它將支持更高功率的外設(shè)，如48V E-Turbo和48V E-Roll穩(wěn)定系統(tǒng)。此外，更高的功率可用性將推動(dòng)耗電的12V負(fù)載遷移至48V總線，以充分利用更高的能效。
起初，雙電壓系統(tǒng)的12V系統(tǒng)側(cè)將保持原樣，其中減去了12V交流發(fā)電機(jī)。由于沒有12V的發(fā)電源，因此需要有一個(gè)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將48V產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)移到12V側(cè)。盡管轉(zhuǎn)換器需要高能效，但它仍會(huì)對(duì)所有12V負(fù)載施加能量損耗，因其需要通過轉(zhuǎn)換器獲取電源。在增加的損耗和功率限制之間產(chǎn)生了強(qiáng)大的誘因，才能夠?qū)?2V外設(shè)移至48V運(yùn)行。
此外，這些轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)上均為雙向的，在高需求期間可同時(shí)使用兩種電池。雙向轉(zhuǎn)換器能夠?qū)碜匀我浑姵氐碾娫崔D(zhuǎn)換到另一電池，并且可能存在于未來某一段時(shí)間內(nèi)。
除冗余之外，保留12V啟動(dòng)器并沒有技術(shù)上的原因，將其拆移除可能會(huì)成為未來的趨勢(shì)。如果可以完全移除，那么12V電池的尺寸將能夠顯著減小。但這將是一個(gè)大膽的舉動(dòng)，需要非常謹(jǐn)慎地對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)。
對(duì)于48V系統(tǒng)側(cè)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)是主要部件。它負(fù)責(zé)汽車所有電力生成以及汽車起動(dòng)。它還能在汽車制動(dòng)期間執(zhí)行再生能量回收。在此模式下，它作為發(fā)電機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)提供負(fù)轉(zhuǎn)矩，減慢車速并恢復(fù)電池電量。起動(dòng)發(fā)電機(jī)有多種配置和功率級(jí)別，每個(gè)都有著非常具體的實(shí)施目標(biāo)。
在混合動(dòng)力領(lǐng)域，安森美還采用了一個(gè)簡(jiǎn)寫代碼來確定電機(jī)在底盤子系統(tǒng)中的位置。該系統(tǒng)通過使用一組Px指示器來生成標(biāo)簽，指示電機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)耦合的每個(gè)位置（見圖2）。指示器（P0至P4）的數(shù)值在功率插入點(diǎn)穿過車尾時(shí)會(huì)上升。
由于BSG的插入點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的前端附件驅(qū)動(dòng)（FEAD）處，因此BSG的功率級(jí)別是最小的，其中轉(zhuǎn)矩的傳輸必須通過鋼帶連接。由于其通過鋼制齒輪耦合，所以底盤的其余插入點(diǎn)（P2-P4）都具有更高的功率水平。另外，更高功率的機(jī)器具有能夠?yàn)镮CE提供牽引輔助的附加功能。這意味著除了由ICE提供的動(dòng)力之外，電動(dòng)力源還也能夠提升汽車的加速度。在某些配置下，可以想象在ICE關(guān)閉的情況下，汽車單靠電動(dòng)力源即可開動(dòng)。這取決于電機(jī)可用的牽引輔助量及其在底盤子系統(tǒng)中的位置。
增加電源轉(zhuǎn)換器保持高能效
雙電壓系統(tǒng)需要增加48V至12V電源轉(zhuǎn)換器。因?yàn)樵跊]有12V交流發(fā)電機(jī)的情況下需要為12V系統(tǒng)供電，就需要該組件。由于需要雙向行為和高能效，所以需要專門的設(shè)計(jì)方法。這些轉(zhuǎn)換器的典型功率范圍在1kW至3kW范圍內(nèi)，為了在這樣的大功率范圍內(nèi)保持高能效，多級(jí)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是目前極為流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許電力從較高電壓側(cè)流向較低電壓側(cè)。與之類似地，升壓拓?fù)湓试S反方向的功率流動(dòng)。多級(jí)設(shè)計(jì)允許共享許多單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器子電路，以組合成一個(gè)高功率設(shè)計(jì)。在轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)載很重的情況下，所有的子電路都能夠工作。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出輕負(fù)載時(shí)，許多子電路將被關(guān)斷，從而提供更低的損耗和更高的能效。
能想得到的48V負(fù)載有多種多樣，而許多較高的功率負(fù)載無法通過12V系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。其中最高的是電控增壓器。由于增壓器需要在幾分之一秒內(nèi)加速到極高的速度，因此需要相當(dāng)高的瞬態(tài)功率。典型的增壓器驅(qū)動(dòng)包括一個(gè)低慣性三相電動(dòng)機(jī)，由一個(gè)三相逆變器驅(qū)動(dòng)。盡管平均功率相對(duì)較低，但峰值功率可達(dá)8kW以上。如此寬泛的功率范圍配置可完美匹配48V系統(tǒng)。許多其它汽車子系統(tǒng)也非常適合48V架構(gòu)，無論是單相還是三相配置。
安全至關(guān)重要
48V電池系統(tǒng)由鋰離子電池構(gòu)成，相較于鉛酸電池，它需要更多的注意和處理。鑒于此，48V汽車需要電池管理系統(tǒng)（BMS）。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控電池電壓和電池溫度，以便能夠安全地為電池充電。由于48V系統(tǒng)具有再生能力，這種情況也變得更為復(fù)雜。當(dāng)汽車電池的剩余電量足夠低時(shí)，可發(fā)出再生指令，但是對(duì)BMS的控制需要非常謹(jǐn)慎，這對(duì)于防止過充或過熱至關(guān)重要。
48V電路對(duì)熔斷和接觸也有更為復(fù)雜的要求。目前尚不確定的是，用于48V系統(tǒng)的12V刀片式保險(xiǎn)絲能否提供足夠的電弧防護(hù)。而且，由于48V系統(tǒng)所需的繼電器觸點(diǎn)距離將大于12V系統(tǒng)所需的，因此需要重新設(shè)計(jì)保險(xiǎn)絲和繼電器。由于這些組件的要求都可以通過采用半導(dǎo)體器件輕松滿足，所以這些問題很可能通過電子方案來解決。
結(jié)論
48V系統(tǒng)的普及，不僅實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今汽車所需的燃油能效提升，它還將大大增加對(duì)新型電力電子的需求。但盡管48V架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更多配置，但最終的評(píng)判將在汽車客戶權(quán)衡特性優(yōu)勢(shì)與成本之后得出。
內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò)
AMTS 2019 第十五屆上海國際汽車制造技術(shù)與裝備及材料展覽會(huì)將于2019年7月3-6日在上海舉行，將匯聚來自中國/亞洲的知名汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商的工程技術(shù)人員和決策者到場(chǎng)參觀，預(yù)計(jì)將有來自世界各地800家展商參展，吸引80,000專業(yè)觀眾到場(chǎng)參觀。
點(diǎn)擊此處，申請(qǐng)2019展位
獲取更多展會(huì)信息：
郵箱：info@for-expo.com
電話：86-21-6468 1300/6468 1550
在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）中，動(dòng)力系統(tǒng)必須能夠在非常寬泛的功率和速度條件范圍內(nèi)運(yùn)行，這通常以“轉(zhuǎn)矩-速度”曲線來表示。而混合動(dòng)力系統(tǒng)則是對(duì)多重動(dòng)力源進(jìn)行布置，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)子系統(tǒng)性能的整體優(yōu)化。其電動(dòng)力源可提供非常高的轉(zhuǎn)矩，且在汽車加速時(shí)可發(fā)揮作用，但可隨時(shí)切斷電源。所涉及的具體時(shí)間取決于電池大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。借助這種可產(chǎn)生動(dòng)力源的高轉(zhuǎn)矩，ICE尺寸得以顯著縮小。這使其燃油能效也大大提升。然而，添加電動(dòng)力源并非簡(jiǎn)單的工程問題，需要更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法。
總體來說，48V系統(tǒng)是通過添加高壓（～350V）電池和直接耦合至ICE動(dòng)力系統(tǒng)的高性能電機(jī)，提高了整體的電氣化程度。這些“全”混合動(dòng)力汽車的定義類別一直是節(jié)能汽車，且從提升能效角度看也頗具吸引力。但是，它們也使汽車的成本和重量大大增加。
于是乎，48V汽車系統(tǒng)架構(gòu)得到了相當(dāng)多的關(guān)注。因?yàn)樵撓到y(tǒng)以更低的成本和最佳的效率提升，成為了各大車企找到的技術(shù)突破口。通常情況下，稱它們?yōu)椤拜p度混合動(dòng)力（Mild Hybrids）”，但當(dāng)在更低的功率級(jí)別下設(shè)計(jì)時(shí)，也可歸類為“微混合動(dòng)力（Micro Hybrids）”。它們采用相對(duì)緊湊的48V電池、高性能電機(jī)以及至少一個(gè)額外的48V電氣化子系統(tǒng)。
雙電壓系統(tǒng)使大量的新配置成為可能
48V架構(gòu)的選擇相當(dāng)寬泛，且應(yīng)用在不斷增加。最基礎(chǔ)的48V系統(tǒng)包括一塊電池、一個(gè)起動(dòng)發(fā)電機(jī)、一個(gè)48V至12V轉(zhuǎn)換器，且通常至少有一個(gè)48V負(fù)載。由于48V汽車仍然保留12V電池和多個(gè)12V負(fù)載，因此目前多數(shù)以雙電壓系統(tǒng)的形式存在。
憑借雙電壓系統(tǒng)，大量的新配置成為可能。由于48V系統(tǒng)能夠提供更高的功率水平，因此它將支持更高功率的外設(shè)，如48V E-Turbo和48V E-Roll穩(wěn)定系統(tǒng)。此外，更高的功率可用性將推動(dòng)耗電的12V負(fù)載遷移至48V總線，以充分利用更高的能效。
起初，雙電壓系統(tǒng)的12V系統(tǒng)側(cè)將保持原樣，其中減去了12V交流發(fā)電機(jī)。由于沒有12V的發(fā)電源，因此需要有一個(gè)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將48V產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)移到12V側(cè)。盡管轉(zhuǎn)換器需要高能效，但它仍會(huì)對(duì)所有12V負(fù)載施加能量損耗，因其需要通過轉(zhuǎn)換器獲取電源。在增加的損耗和功率限制之間產(chǎn)生了強(qiáng)大的誘因，才能夠?qū)?2V外設(shè)移至48V運(yùn)行。
此外，這些轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)上均為雙向的，在高需求期間可同時(shí)使用兩種電池。雙向轉(zhuǎn)換器能夠?qū)碜匀我浑姵氐碾娫崔D(zhuǎn)換到另一電池，并且可能存在于未來某一段時(shí)間內(nèi)。
除冗余之外，保留12V啟動(dòng)器并沒有技術(shù)上的原因，將其拆移除可能會(huì)成為未來的趨勢(shì)。如果可以完全移除，那么12V電池的尺寸將能夠顯著減小。但這將是一個(gè)大膽的舉動(dòng)，需要非常謹(jǐn)慎地對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)。
對(duì)于48V系統(tǒng)側(cè)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)是主要部件。它負(fù)責(zé)汽車所有電力生成以及汽車起動(dòng)。它還能在汽車制動(dòng)期間執(zhí)行再生能量回收。在此模式下，它作為發(fā)電機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)提供負(fù)轉(zhuǎn)矩，減慢車速并恢復(fù)電池電量。起動(dòng)發(fā)電機(jī)有多種配置和功率級(jí)別，每個(gè)都有著非常具體的實(shí)施目標(biāo)。
在混合動(dòng)力領(lǐng)域，安森美還采用了一個(gè)簡(jiǎn)寫代碼來確定電機(jī)在底盤子系統(tǒng)中的位置。該系統(tǒng)通過使用一組Px指示器來生成標(biāo)簽，指示電機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)耦合的每個(gè)位置（見圖2）。指示器（P0至P4）的數(shù)值在功率插入點(diǎn)穿過車尾時(shí)會(huì)上升。
由于BSG的插入點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的前端附件驅(qū)動(dòng)（FEAD）處，因此BSG的功率級(jí)別是最小的，其中轉(zhuǎn)矩的傳輸必須通過鋼帶連接。由于其通過鋼制齒輪耦合，所以底盤的其余插入點(diǎn)（P2-P4）都具有更高的功率水平。另外，更高功率的機(jī)器具有能夠?yàn)镮CE提供牽引輔助的附加功能。這意味著除了由ICE提供的動(dòng)力之外，電動(dòng)力源還也能夠提升汽車的加速度。在某些配置下，可以想象在ICE關(guān)閉的情況下，汽車單靠電動(dòng)力源即可開動(dòng)。這取決于電機(jī)可用的牽引輔助量及其在底盤子系統(tǒng)中的位置。
增加電源轉(zhuǎn)換器保持高能效
雙電壓系統(tǒng)需要增加48V至12V電源轉(zhuǎn)換器。因?yàn)樵跊]有12V交流發(fā)電機(jī)的情況下需要為12V系統(tǒng)供電，就需要該組件。由于需要雙向行為和高能效，所以需要專門的設(shè)計(jì)方法。這些轉(zhuǎn)換器的典型功率范圍在1kW至3kW范圍內(nèi)，為了在這樣的大功率范圍內(nèi)保持高能效，多級(jí)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是目前極為流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許電力從較高電壓側(cè)流向較低電壓側(cè)。與之類似地，升壓拓?fù)湓试S反方向的功率流動(dòng)。多級(jí)設(shè)計(jì)允許共享許多單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器子電路，以組合成一個(gè)高功率設(shè)計(jì)。在轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)載很重的情況下，所有的子電路都能夠工作。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出輕負(fù)載時(shí)，許多子電路將被關(guān)斷，從而提供更低的損耗和更高的能效。
能想得到的48V負(fù)載有多種多樣，而許多較高的功率負(fù)載無法通過12V系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。其中最高的是電控增壓器。由于增壓器需要在幾分之一秒內(nèi)加速到極高的速度，因此需要相當(dāng)高的瞬態(tài)功率。典型的增壓器驅(qū)動(dòng)包括一個(gè)低慣性三相電動(dòng)機(jī)，由一個(gè)三相逆變器驅(qū)動(dòng)。盡管平均功率相對(duì)較低，但峰值功率可達(dá)8kW以上。如此寬泛的功率范圍配置可完美匹配48V系統(tǒng)。許多其它汽車子系統(tǒng)也非常適合48V架構(gòu)，無論是單相還是三相配置。
安全至關(guān)重要
48V電池系統(tǒng)由鋰離子電池構(gòu)成，相較于鉛酸電池，它需要更多的注意和處理。鑒于此，48V汽車需要電池管理系統(tǒng)（BMS）。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控電池電壓和電池溫度，以便能夠安全地為電池充電。由于48V系統(tǒng)具有再生能力，這種情況也變得更為復(fù)雜。當(dāng)汽車電池的剩余電量足夠低時(shí)，可發(fā)出再生指令，但是對(duì)BMS的控制需要非常謹(jǐn)慎，這對(duì)于防止過充或過熱至關(guān)重要。
48V電路對(duì)熔斷和接觸也有更為復(fù)雜的要求。目前尚不確定的是，用于48V系統(tǒng)的12V刀片式保險(xiǎn)絲能否提供足夠的電弧防護(hù)。而且，由于48V系統(tǒng)所需的繼電器觸點(diǎn)距離將大于12V系統(tǒng)所需的，因此需要重新設(shè)計(jì)保險(xiǎn)絲和繼電器。由于這些組件的要求都可以通過采用半導(dǎo)體器件輕松滿足，所以這些問題很可能通過電子方案來解決。
結(jié)論
48V系統(tǒng)的普及，不僅實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今汽車所需的燃油能效提升，它還將大大增加對(duì)新型電力電子的需求。但盡管48V架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更多配置，但最終的評(píng)判將在汽車客戶權(quán)衡特性優(yōu)勢(shì)與成本之后得出。
內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò)
AMTS 2019 第十五屆上海國際汽車制造技術(shù)與裝備及材料展覽會(huì)將于2019年7月3-6日在上海舉行，將匯聚來自中國/亞洲的知名汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商的工程技術(shù)人員和決策者到場(chǎng)參觀，預(yù)計(jì)將有來自世界各地800家展商參展，吸引80,000專業(yè)觀眾到場(chǎng)參觀。
點(diǎn)擊此處，申請(qǐng)2019展位
獲取更多展會(huì)信息：
郵箱：info@for-expo.com
電話：86-21-6468 1300/6468 1550
展會(huì)快訊免費(fèi)訂閱
行業(yè)資訊，展會(huì)新聞，實(shí)時(shí)更新
聯(lián)系我們
展商服務(wù)
電話:
86-21-22317397
