在動(dòng)力系統(tǒng)中增加48V直流（DC）總線

目前混動(dòng)汽車（HEV）和純電動(dòng)汽車（EV）的設(shè)計(jì)非常引人注目，但是汽車行業(yè)也有一個(gè)不太明顯但是意義重大的發(fā)展趨勢：在動(dòng)力系統(tǒng)中增加48V直流（DC）總線。48V不僅適用于混動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車，更多普通的內(nèi)燃汽車也將采用這種技術(shù)，從圖1可以看出純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車的市場份額不斷增長。

圖1：電動(dòng)汽車市場（包括純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車）預(yù)計(jì)在未來幾年會迅速增長，48V的采用將成為有利于增長的一個(gè)要素（來源：Delphi科技）

工程師和汽車機(jī)械師從小就接觸無處不在的12V電池和汽車零部件（這是已有100多年歷史的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），但是不需要擔(dān)心12V系統(tǒng)不會很快消失，然而在可以預(yù)見的未來12V可能會和48V系統(tǒng)共存。

那么48V系統(tǒng)有哪些獨(dú)特之處呢？答案需要從電力的角度來看，回到歐姆定律、壓降（V=IR）、功率（P=IV）和損耗功率（P=I2R）有關(guān)的物理定律上來，雖然壓降（損耗）隨電流線性增加，功率損耗隨電流的平方而增加，但是輸送功率需要電流和電壓來決定，簡而言之在給定電壓下輸出更多的功率需要更大的電流，而電流越大，壓降越高，功率損失也不可恢復(fù)。

這并不是一個(gè)新的發(fā)展方向，電力領(lǐng)域的解決方案提供商早就熟知這些，這也是他們?yōu)槭裁床捎酶唠妷旱脑?，他們尋求為路燈系統(tǒng)、家庭和工業(yè)場所供電更好的解決方案，但是對于汽車而言從可充電鉛酸電池獲取12.6V（標(biāo)稱值）電壓是一個(gè)很好的折中方案，可以兼顧體積、容量（安培小時(shí)）、成本、壽命和安全等因素。

然而現(xiàn)在的汽車需要比幾年前的汽車更多的動(dòng)力，除了發(fā)動(dòng)機(jī)、燈、收音機(jī)、電動(dòng)天窗、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、網(wǎng)絡(luò)和信息娛樂等基本功能，現(xiàn)在還會集成很多其他安全便捷的功能，這些功能通常會歸入高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）范疇內(nèi)，ADAS系統(tǒng)對電池提出了更高的要求，需要更多的電力，因此采用12V電源為各種核心部件和外設(shè)供電會造成更大的電流，然而在12V下保持IR下降和I2R功率損失在可接受的水平的方法是采用更粗的電線、更多的銅制材料和更大的連接器，這反過來意味著成本、體積的增加，在車輛系統(tǒng)內(nèi)會顯得更加的擁擠。

48V供電是新的12V形式嗎？

經(jīng)過了大量的分析行業(yè)內(nèi)決定采用48V作為新的電源系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的12V鉛酸電池不同，48V電池采用鋰電池，具有更高的重量和體積能量密度，比較有名的是“mild Hybrid（微混或者輕混）”（圖2）。

圖2：在某些方面12V/48V微混系統(tǒng)是一個(gè)折中的方案，但與其他折中方案不同，這種方案有很多的優(yōu)勢，降低成本，提升效益和回報(bào)率（來源：Delphi科技）

在這種方法中，48V電池——按照汽車標(biāo)準(zhǔn)LV148的規(guī)定——作為補(bǔ)充與12V鉛酸電池結(jié)合使用（這樣能夠提供3KW的額定功率），如圖3所示。12V電池和48V電池將連同他們的配電線束一起使用，在需要功率輸出的時(shí)候兩塊電池都提供能量輸出，比如12V總線可以為點(diǎn)火、照明和信息娛樂系統(tǒng)提供電源，而48V總線將負(fù)責(zé)底盤控制系統(tǒng)、空調(diào)、調(diào)整懸架、回收制動(dòng)能量、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)增壓器和渦輪等。

圖3：雙電壓微混方式將有效分配電壓和可用的功率，從效率和運(yùn)行的角度來看這是最有意義的（來源：Delphi科技）

考慮一個(gè)基本組件：發(fā)動(dòng)起啟動(dòng)器，48V電池如何改變發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的基本架構(gòu)，從而更好的增強(qiáng)啟停效果，這種方式有利于減少在紅綠燈和停車等待時(shí)的燃油消耗，進(jìn)一步增強(qiáng)燃油效率。在大多數(shù)只有12V電池的汽車中電池為啟動(dòng)器提供動(dòng)力，交流發(fā)電機(jī)作為充電器，然而48V和12V的組合使用可以提供高達(dá)10KW的功率，啟動(dòng)電機(jī)和獨(dú)立的交流發(fā)電機(jī)被集成的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)（ISG）或帶式啟動(dòng)發(fā)電機(jī)所取代，48V鋰離子電池和雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器會被封裝在堅(jiān)固的盒子內(nèi)，這其實(shí)是一種弱混動(dòng)力系統(tǒng)，與內(nèi)燃機(jī)協(xié)同工作。它可以提供三分之二的好處，但是只有三分之一的成本，而經(jīng)濟(jì)效益增加了15%到20%。

同時(shí)選擇48V也引出兩個(gè)問題：為什么不從12V直接改為24V呢？既然更高的電壓能帶來更多的好處，那為什么把電壓限制在48V呢？對于這些問題有很多不同的回答。

大約在10年前關(guān)于24V的討論非常的激烈，一些主要廠商甚至開始生產(chǎn)24V連接器、開關(guān)、繼電器和其他基礎(chǔ)部件。但是采用24V的好處并不足以支持這種改動(dòng)。此外關(guān)于汽車是否應(yīng)該完全淘汰12V電池僅采用24V電池，還是讓它們共存，這個(gè)爭論一直未解決。

至于48V以上會存在用戶安全問題，在大多數(shù)地區(qū)超過60V的直流電壓被認(rèn)為是潛在的不安全因素，因此需要特殊的接線注意事項(xiàng)、安全鎖、使用導(dǎo)管和物理屏蔽等。盡管48V系統(tǒng)實(shí)際上可能達(dá)到略低于60V的峰值，但它被認(rèn)為是安全的，從而避免了這方面的問題（注意對于純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車與主電池相關(guān)的電壓會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過60V，因此設(shè)計(jì)中考慮了所有安全規(guī)則和預(yù)防措施），48V是傳統(tǒng)微混系統(tǒng)所能達(dá)到的最高水平，從而避免額外的安全相關(guān)的設(shè)計(jì)問題。