現(xiàn)代汽車對(duì)電源的要求日益增加，12V電氣架構(gòu)正被推向極限。因此，48V將可能是未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。這不僅打開(kāi)了創(chuàng)新的機(jī)會(huì)大門，而且創(chuàng)造了滿足更嚴(yán)格碳排放目標(biāo)的平臺(tái)。
儒卓力ABU負(fù)責(zé)人Uwe Rahn
全球道路交通的碳排放新限值即將出臺(tái)(參見(jiàn)下框)。但是，汽車電氣化不采用技術(shù)創(chuàng)新的話，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，而最近國(guó)外一家著名車廠造假的碳排放丑聞，使得大眾更加擔(dān)心這個(gè)現(xiàn)實(shí)。解決方法是采用高性能的混合驅(qū)動(dòng)。汽車制造商到2021年前必須實(shí)施混合驅(qū)動(dòng)，否則將因無(wú)法遵守規(guī)定而面臨高額罰款。
汽車制造商碳排放限值
歐洲 (NEDC)
§2015: 130g/km
§2021: 95g/km (柴油車：3.6l/100km，汽油車：4.1l/100km)
§2025: 75g/km (預(yù)測(cè))
§2019年后無(wú)法遵守規(guī)定應(yīng)繳納的罰款: 95歐元每克/公里
美國(guó)(溫室氣體)
§2016: 156g/km
§2025: 102g/km
§未遵守的處罰：禁止注冊(cè)
中國(guó) (NEDC)
§2016: 164g/km (正在討論中)
§2020: 119g/km (正在討論中)
日本(JC08):
§2015: 146g/km
§2020: 117g/km (預(yù)測(cè))
48V部分電氣系統(tǒng)
實(shí)施混合驅(qū)動(dòng)的基本要求是采用48V電氣系統(tǒng)。12V發(fā)電機(jī)不再能夠滿足數(shù)量不斷增長(zhǎng)的汽車消費(fèi)者產(chǎn)品的要求。48V電源能夠采用截面面積更小的電纜，有助于減少產(chǎn)生的熱量和潛在的損耗。此外，電流水平相同時(shí)，性能提高4倍。這要求使用其它組件，如轉(zhuǎn)換電壓的DC-DC變換器，及第二電池。
要從目前的12V完全轉(zhuǎn)換到未來(lái)的全48V系統(tǒng)，在目前是不可能的。這將涉及改變所有電子系統(tǒng)和致動(dòng)器，如氣囊或發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。為了繼續(xù)使用低功耗部件，許多供應(yīng)商目前還保留12V電氣系統(tǒng)。利用變換器，這兩種網(wǎng)絡(luò)都將連接。對(duì)應(yīng)的是必須采用連續(xù)功率輸出高達(dá)4kW，效率至少96%的12V/48V雙向變換器。被動(dòng)空冷可確保最高效率。
此外，新的核心部件是48V電池。在這一領(lǐng)域中，新技術(shù)的開(kāi)發(fā)一直突飛猛進(jìn)，例如，鋰-硫或鋰-空氣電池設(shè)計(jì)。它們的初步目標(biāo)是改善充電容量和能量密度。盡管存在價(jià)格壓力，但是，這些電池預(yù)期使用壽命長(zhǎng)，并且非常堅(jiān)固，例如，在車禍中不會(huì)損壞。
輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)
據(jù)VDA報(bào)道，到2020年，大約400萬(wàn)輛汽車將裝備48V部分電氣系統(tǒng);2026年，這一數(shù)據(jù)預(yù)期將增加到大約1000萬(wàn)輛，全球大約每十輛汽車就有一輛是，其中大多數(shù)是輕度混合動(dòng)力型號(hào)。與全混合動(dòng)力型號(hào)相比，它們未設(shè)計(jì)充電功能，并且電機(jī)本身無(wú)法驅(qū)動(dòng)汽車。除提供啟動(dòng)幫助以外，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)還充當(dāng)制動(dòng)能量換熱器，給電池充10kW電，從而降低碳排放。此外，利用換熱能量，還可以使汽車無(wú)排放運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉滑行(亦稱為航行)。根據(jù)測(cè)定指南和開(kāi)車風(fēng)格，碳排放減少量可高達(dá)12%。同時(shí)，滑行大幅降低了車內(nèi)噪聲和振動(dòng)，提高了駕車樂(lè)趣。換熱能量還可以用于碳中性電動(dòng)增壓(e-boost)功能，即超車時(shí)，電機(jī)提供臨時(shí)的額外加速。
這些技術(shù)甚至還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)消耗降低，例如，開(kāi)發(fā)高度自動(dòng)化和全自動(dòng)化駕駛解決方案。
為了降低12V電氣系統(tǒng)的負(fù)荷，一開(kāi)始在48V部分電氣系統(tǒng)中集成前擋風(fēng)玻璃加熱器以及輔助設(shè)備(如水泵、油泵和燃油泵)、轉(zhuǎn)向輔助、HVAC控制(發(fā)動(dòng)機(jī)控制)和PTC加熱器將比較明智。后者對(duì)混合動(dòng)力汽車尤其重要，因?yàn)殡姍C(jī)不會(huì)產(chǎn)生用于發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器和汽車內(nèi)部的廢熱。將于2016年年底推出的電氣動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制，也是48V應(yīng)用必須的。
但是，最重要的決定性因子是充電器。例如，充電器使發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格變小，從六缸減為四缸，從而在降低二氧化碳排放中起主要作用。明年將出現(xiàn)裝備兩個(gè)廢氣渦輪增壓器和不超過(guò)兩個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)的客車。
新要求
48V系統(tǒng)的電壓更高，要求汽車采用與檢查規(guī)則一致的全新架構(gòu)。峰值電壓必須限制在60V，過(guò)壓保護(hù)和欠壓保護(hù)是必須的，以為了防止對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其它消費(fèi)者產(chǎn)品的不良影響。必須安裝采用新絕緣技術(shù)的電纜，以抵消由此造成的間隙和爬電距離。還需要非常特殊的連接器配置，用于連接更高的電壓。在這種情況下，千萬(wàn)不要忽略總體系統(tǒng)。
從部分系統(tǒng)至全48V電氣系統(tǒng)
在接下來(lái)的15年內(nèi)，將逐漸轉(zhuǎn)換為更高電壓系統(tǒng);全48V電氣系統(tǒng)汽車預(yù)期大約在2030年出現(xiàn)。如果這種部分系統(tǒng)仍然保留，為了滿足新消費(fèi)者產(chǎn)品對(duì)更高功率的要求，電纜截面積規(guī)格將必須增大4倍。鑒于所需空間和重量(大約10 kg)明顯增加，從而碳排放也明顯增加，這將是完全不能接受的。成本因素也十分重要：如果電動(dòng)壓縮機(jī)與12V系統(tǒng)連接，大約3kW的輸出將導(dǎo)致250A以上的電流。采用標(biāo)準(zhǔn)部件時(shí)，這是不可行的。但是，可以采用48V系統(tǒng)電動(dòng)壓縮機(jī)及大約4kW輸出。
由于半導(dǎo)體部件進(jìn)一步迅速發(fā)展，未來(lái)大多數(shù)消費(fèi)者產(chǎn)品逐漸裝備48V技術(shù)將是可能的：
短期 ->具備新8V功能的高性能消費(fèi)者產(chǎn)品：
o前擋風(fēng)玻璃 ( 1.5 KW )
oPTC ( 1.2 KW )
o電動(dòng)壓縮機(jī)/ 充電器 ( 3.5KW )
中期 ->更大功率要求的12/24V消費(fèi)者產(chǎn)品轉(zhuǎn)換
o電動(dòng)轉(zhuǎn)向 ( 1 KW )
o動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制 ( 3 KW )
o發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇 ( 1.5 KW )
o燈 ( 外部)
長(zhǎng)期 -> 所有12V應(yīng)用(包括背光加熱器)轉(zhuǎn)換為新電壓級(jí)別
這些電氣消費(fèi)者產(chǎn)品可以開(kāi)啟，并且不會(huì)磨損，確保其僅在實(shí)際需要時(shí)才消耗能量。如果采用了需求為導(dǎo)向的控制策略，碳排放將減少大約10%。
高壓車載電源的開(kāi)發(fā)繼續(xù)發(fā)展;在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，快速充電器系統(tǒng)將推出800V以上電壓。它們將能夠在30分鐘內(nèi)消耗足夠能量，僅利用電力行駛大約400 km。
據(jù)一級(jí)供應(yīng)商公司預(yù)測(cè)，由于采用48V電氣系統(tǒng)、混合動(dòng)力技術(shù)和各種其它措施(如重量輕的結(jié)構(gòu))，汽車制造商可以降低汽車的燃油消耗量，最多可達(dá)25%。
技術(shù)推動(dòng)力
因此，一級(jí)和二級(jí)供應(yīng)商將是許多新技術(shù)新系統(tǒng)的主要開(kāi)發(fā)者。特別是，德國(guó)制造商在這方面一直位列前沿，例如，博世(Bosch)開(kāi)發(fā)了各種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，全球市場(chǎng)領(lǐng)先公司博澤(Brose)開(kāi)發(fā)了電動(dòng)窗調(diào)節(jié)器電機(jī)應(yīng)用或座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)電機(jī)，而風(fēng)扇電機(jī)專家ebm-papst也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品。亞洲制造商另外提供了廣泛的創(chuàng)新。電機(jī)制造商日本電產(chǎn)株式會(huì)社(Nidec)的最新開(kāi)發(fā)成果包括電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)和高達(dá)750W冷卻風(fēng)扇應(yīng)用。日本電裝株式會(huì)社(Denso)為汽車工業(yè)提供了范圍廣泛的高效技術(shù)、系統(tǒng)和部件。美國(guó)公司Johnson Electric是前燈步進(jìn)電機(jī)及冷卻風(fēng)扇和空調(diào)系統(tǒng)電機(jī)的世界領(lǐng)先供應(yīng)商之一。然而，電動(dòng)車目前最大的市場(chǎng)在法國(guó)。
與高電壓混合動(dòng)力汽車相比，客車引入其它電壓級(jí)別，提供了前景很美好的優(yōu)點(diǎn)。一方面，有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)頗有吸引力且成本合理的碳減排。另一方面，可以實(shí)施目前12V設(shè)置技術(shù)上不可行的功能。這些包括電動(dòng)渦輪增壓器、空調(diào)壓縮機(jī)及操作與發(fā)動(dòng)機(jī)速度無(wú)關(guān)的各種泵。這意味著可以根據(jù)車輛狀況，有效地控制負(fù)荷，打開(kāi)或關(guān)閉負(fù)荷。驅(qū)動(dòng)能力得到顯著提高后，駕駛員將能體驗(yàn)到這些功能。
就傳動(dòng)系統(tǒng)集成而言，48伏電壓級(jí)別會(huì)比高電壓混合動(dòng)力更易實(shí)施，同時(shí)現(xiàn)有的傳動(dòng)系統(tǒng)理念亦得以保留，從而預(yù)期開(kāi)發(fā)周期更短。作為實(shí)施過(guò)程的一部分，汽車制造商和供應(yīng)商目前非常重視部件和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)集成和驗(yàn)證。
總體系統(tǒng)的優(yōu)化是這方面的關(guān)鍵因素。它要求涉及的所有供應(yīng)商和合作伙伴密切合作和溝通。供應(yīng)商和儒卓力汽車業(yè)務(wù)部等合作伙伴正向前推動(dòng)它們的發(fā)展。