俯瞰“48V电气系统”的前世今生

42V电气系统如何败北？

一开始了解这个48V系统，是见于以前的技术在线的文章，到2013年年底的时候，还做了一个48V电气系统的合集。而我恰好有机会在这个电压等级上，也做了充电机和DC/DC的项目，没有太多在意，以为是欧洲车厂自己搞出来的事情，确切来说德国工程师搞出来的事情。再看看10年以前，2000左右由欧美引导的42V系统的失败，不由有了一些偏见。不过实话说，在以一个系统性的角度来看问题以后，这个48V的电气系统升级，恰恰也是基于排放和油耗的逼迫之下，对大多数传统的内燃机车较为适用而且具有前瞻性的发展方向。所以我对此不免花了一些时间，来整理资料和做一些较为深入的学习，在此做个介绍，如有错误，欢迎大家指出。

42V电气系统如何败北？
42V系统的构思由来已久，从1990年开始，在SAE和各个地方的工程师协会就考虑在往这个方向努力，为此还制定了以下的标准。
• 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

其历程也红红火火一阵子，但是最终归于沉寂，在某些部件上面倒是留存下来42V系统的电压。从总体来看，42V的电压系统会被放弃主要有以下的原因：
1. 12V发电机经过改进：通过液冷的方法，突破了原有的限制，使得迁移的机会成本变得更高。
2. 42V系统的各个部件的技术发展：技术投资是需要钱的，使用高的电压等级，需要从用电附件、连接器和功率电子部件，很多层面去解决问题，当初整车企业的尝试明显对供应商的生态圈没有足够的刺激。
3. 42V混动系统对高压混动系统的失败：从当初的概念对比可以看出，过低功率的对动力总成的提升用处不大，并没能直接反映到油耗上去，有两个曾经的例子较为典型，其架构如图1所示：
1. GM Silverado/Sierra: 42V FAS, E/HPS at 42V
2. Toyota Crown mild hybrid: 42V B-ISG drives steering

图1 汽车工业第一代中混系统

48V系统的前世今生及未来

48V系统的前世今生
2011年，由德国的几个车厂联手推动了这个48V的概念，着手制定LV148标准。这个48V的概念，有以下的不同：48V的目的是改进原有的12V起停系统；48V负载上可以进行扩展，可以为长期的演进做准备，如图2所示。

图2 48V系统概览

48V系统的两条路径
48V系统的第一条路径，是在原有欧洲较为普遍采用的Start-Stop的基础上，进行升级和改造。由于48V总线系统相较于12V系统可以提供更大的功率，因此对于发动机状况的改善也就有了较大的提高。

图3 BSG和ISG系统

48V系统的第二条路径，是将原有的42V系统的用电器件替换掉，并且把一些潜在的大功率12V器件给替换掉。

表1 可能潜在的48V系统用电负载部件

48V系统的重重挑战

各个系统单元的技术挑战
将原有的12V系统迁移到48V系统，最大的挑战其实是成本。从技术难度来看，48V系统绕开了混合动力系统最为讨厌的电气安全这一课题。
• 从法规上来看，联合国欧洲经济委员会（UNECE）制定的电动汽车安全标准“ECE-R100”中规定，电压超过60V时，触电时就会对人体产生严重影响，因此要谨慎采取措施来确保安全。这些措施，将限制相关系统的布置，所以绕开这个限制，将对整车企业的车型开发产生很积极的影响。
• 从成本上看，由于安全需求，超过60V则必须为线缆及连接器等设置较厚的绝缘皮膜，并考虑平衡接地的问题。
• 从器件上来看，半导体部件在耐压超过100V时也会导致成本迅速上涨，但使用48V电源时，就可将耐压控制在100V以下。原有的部分为42V系统开发的半导体器件，也可以有效利用起来。

48V的电压等级是按照以下划分的
• >60V : 过压会引起安全危险，所以48V电气系统都需要以此为红线。
• 54V~58V :过压保护阶段，此段电压范围内，器件应处于保护状态。
• 52V~54V :上限电压阶段，部分关键功能完整。
• 36V~52V :正常工作电压范围。
• 24V~36V :下限电压阶段，部分关键功能完整。
• 20V~24V :低压阶段，此时48V电池状态已经很差了。

图4 48V系统电压分布

表2 系统主要部件供应商表

整个系统的开发，从本质上而言，是从整车厂到一级供应商再到二级供应商整合的过程。理智上来说，这就是一个生态圈，从锂电池单体、功率芯片和磁性材料。2013年，48V的发展动态如下：    
1. 2013年1月，底特律车展江森自控发布48V微型混合动力车用锂离子充电电池模块。
2. 2013年4月，德国举办研讨会《Electric&Electronic Systems in Hybrid and Electric Vehicles and Electrical Energy Management》
3. 2013年5月，“人与车科技展” 麦格纳展出为12kW的发电机兼马达，海拉公司展出48V&12V双向转换的DC-DC转换器。
4. 2013年9月， 博世和大陆展示了支持48V电源的技术，法雷奥发电机兼马达支持48V电源。
5. 2013年11月，SAE的 2013 Electric Powertrain Technologies Symposium在德国举办了48V化的国际会议“Automotive 48V Power Supply Systems”。
6. 2013年11月，东京车展德国舍弗勒集团展出了第2代48V系统的概念模型。三菱汽车展出了将48V系统概念车“Concept AR”。

48V系统到底有没有未来

关于发展趋势
目前车展上是有一些概念车（奥迪A7iHEV、三菱“Concept AR”）来展示整个系统，并且最先在2016年能在宝马的七系上面能看到。所以个人以为，整个系统最重要的障碍还是在于成本；短期来看这部分的成本，如果真得能够实现1000欧元的计划，这里面大部分的成本是整车企业为了实现整体的排放和油耗，牺牲利润率。所以从事实来看，最为积极的确实是豪华车的诸强，宝马、戴姆勒和奥迪。整个系统对我而言，也较为复杂，我拿我比较理解的电池系统和DC-DC来说。

1.  DC-DC：在中混系统里面，我不太看好这个部件能够单独存在。一种可能是集成在电池组里面，另外一种可能是集成在逆变器里面。
o 功率等级：目前的预估是在200A～210A，约2.5KW左右。
o 拓扑：全桥和双向的Buck-Boost是很难满足成本的目标的。
2. 电池系统：由于电池系统是整个系统中，最为昂贵的系统，所以也就面临更多的机会和挑战。
o 风冷系统：别无选择，高功率的输出，使得散热设计面临巨大的挑战。
o 一体化的电池管理系统：继电器（如果可能，会使用半导体开关来取代继电器）控制也要纳入其中，如果DC-DC也被纳入其中，整个BMS需要完成的功能多了不少。
o 功能安全：涉及安全系统的EPS加入，电池系统的安全级别较高，根据不同的风险评估，将会对整个开发过程产生大的影响。

图5 部分DC-DC 拓扑

图6 电池系统方案

最后，值得欣喜的事情是，大部分的国内整车企业也在调研48V系统，当然这和Bosch&Conti两家在国内的拓展不无关系。期待未来两年内，更多的方案以及案例出现。对于国内的汽车电子和动力电池企业来说，也是一个黄金般的机会。

参考文件
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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