汽車12V不堪重負,48V總線配電革命

當汽車平臺逐漸成為娛樂中樞神經

如何保證充足且穩定的電力供應

而12V的衰落 是否意味48V接盤成功

未來汽車市場的標準將走向何方

記得20世紀90年代，汽車業曾考慮用42V總線配電取代12V系統，因為複雜性和成本過高，搞了十幾年還是半途夭折了。今天，在全球環保壓力下，對48V總線配電的需求越來越明顯，但48V輕混能否成為未來汽車市場的標準呢？看看業界大咖如何評說。

未來汽車技術朝著電氣化方向發展已經成為共識，不過走哪條技術路線仍是眾說紛紜，純電動（EV）、混合動力（HEV）、插電式混合動力（PHEV）、48V輕度混合動力（MHEV）和重度混合動力（HEV），還有燃料電池等多種動力形式，誰最有可能脫穎而出，成為未來的主流呢？

我們看到，48V輕混動力汽車（也稱為電池輔助混合動力汽車）市場的主要參與者包括博世、大陸、德爾福、法雷奧、AVL List GmbH、日立汽車系統、舍弗勒、福特、通用、菲亞特、克萊斯勒、豐田汽車、日產、本田、奔馳、寶馬、奧迪、現代汽車、三菱汽車、馬自達、斯巴魯等。國內吉利、長安、北汽、江淮、長城等企業都有計劃生產配備48V系統的車型。看來，48V輕混還是有其誘人之處。

汽車功能增加亟需更大電力

當前汽車的12V電氣系統可提供約300安培電流，峰值時約為600安培，勉強能為牽引電機和制動系統供電提供所需能量。而隨著最新汽車上所有新的耗電型電子驅動和功能的增加，如電動啟停、電動轉向、電動懸架、電動渦輪增壓、變速空調，以及音響系統、加熱座椅和可隨動轉向照亮黑暗彎道的前照燈，傳統12V配電總線已不堪重負，對更高電壓總線配電的需求越來越明顯。

12V和48V電氣系統能力大相逕庭

隨著自動駕駛車輛的出現，諸如雷射雷達、雷達、攝像機和超聲波傳感器等需要高性能圖形處理器來收集、解釋、集成和理解的系統，對配電系統更提出了額外要求。這類處理器非常耗電，給傳統的汽車12V配電總線增加了額外負擔。即使是對具有較高自動駕駛性和駕駛員輔助功能（ADAS）的車輛，當今12V電氣系統已遠不能提供車載計算機分析和處理傳感器和攝像頭數據所需的能量。這樣的車載計算機將消耗約一千瓦到兩千瓦電力，這會讓12V系統的功率消耗殆盡。無論是未來的自動駕駛駕駛汽車是混合動力汽車還是純電動汽車，都需要48V系統來承受高耗能的負載。

博世集團董事會成員Stefan Hartung表示：「由於排放法規的實施迫使汽車製造商尋求有效降低汽車碳排放量的方法，因此當今許多汽車及其內燃機正在面臨轉型。48V電氣系統正為汽車業帶來革新，48V輕混定將成為未來汽車市場的最低標準。」他說，全球範圍內，尤其在歐洲和中國，48V系統解決方案的市場正在不斷擴大。博世預計，到2025年，全球每年銷售的新車中將有近20%配備48V系統和配套電池。

為此，博世與寧德時代達成長期戰略合作協議，根據博世要求投產了48V輕混系統的核心元件48V電池。這一合作也進一步擴展了48V電池在全球多家汽車製造商的廣泛應用，還將推動48V輕混汽車進入合理價格區間。

《紐約時報》在2018年就指出，電動汽車不僅對環境有好處，而且對用戶的耗電傾向也有好處。各車企正尋求擺脫傳統的12V系統，轉而尋求48V標準，為未來的汽車提供動力。在過去十年左右時間，汽車製造商一直在用更高效的電動部件取代傳統的機械驅動部件，如電動轉向架、電動制動真空泵和電動水泵。

事實上，一些汽車已經在用48V系統，如保時捷卡宴混動和賓利賓泰加混動SUV。但是，儘管絕大多數購車者還無法使用開上汽車，但很快就會廣泛採用新標準。

Navigant的預測顯示，就2025年全球新車銷量而言，48V輕混動力車可能佔據14%的市場份額，而汽油或或柴油發動機的市場份額將只有65%。

IHS：按地區劃分48V輕混增長預測

為什麼48V系統會出現在所謂輕混動力系統中呢？

48V系統能以30%的成本提供全混合動力汽車70%的好處

新的更高功率要求以及越來越嚴格的排放法規

為了滿足燃油經濟性和二氧化碳排放法規要求

48V電氣系統的顛覆在哪裡？

德州儀器（TI）混合動力、電動汽車和動力總成系統負責人Karl-Heinz Steinmetz表示，48V的優點首先是增加動力，減少排放。

汽車動力驅動架構從12V走向48V的進步滿足了如今高耗能汽車更高的電力需求，功率的增加還可以使內燃機更有效地運轉，幫助製造商更快地滿足排放法規要求。各汽車製造商正在推出具有啟停技術的輕混動力汽車。

該技術可使發動機在汽車滑行、制動或停止時暫時關閉，然後迅速重新啟動，並由新系統提供部分動力。低端輕混動力汽車製造商今年將緊隨其後，效仿採用這一技術。與傳統的混合動力汽車不同，輕混動力汽車中的電機用於補充內燃機，不單獨為汽車提供動力。

他解釋說，傳統12V電氣系統使用鉛酸電池和交流發電機為不斷增加的各種耗能功能提供電能，如車內外照明、半自動防撞和車道偏移安全功能以及提供車載音頻和視頻的軟硬體。48V系統可滿足這些功率負載。48V汽車中的驅動渦輪增壓器、空調壓縮機、主動懸架系統、冷卻液泵、機油泵和轉向助力泵運行所需能量由電氣系統提供，而非由以往為內燃機提供動力的曲軸皮帶輪和皮帶傳動提供。

48V電氣系統如何支持傳統12V系統

此外，Karl-Heinz並指出48V電氣系統的三大優點：

在技術層面，從12V切換到48V所需的結構性改造並不大

採用大容量鋰電池和再生制動系統，回收儲存能量

平衡安全性和舒適性，在性能和效率上更具優勢，滿足大功率用電

事實上，許多汽車製造商正在將起動機和發電機、直流/直流轉換器和電池管理等系統以及HVAC壓縮機、正溫度係數加熱器和接線盒之類的車身電子器件轉為48V。

為什麼不是64V、72V？

圖源 | autoevolution.com

德爾福副總裁Mary Gustanski進一步解釋道，用48V電力而不是12V電力來運行汽車，不僅因為減少損耗，而且因為泵和風扇在更高電壓下運行得更有效。不過，更重要的是，48V電源為傳統上由發動機驅動旋轉的設備提供了足夠的電力。

她舉例說，因為冬天剛過，你正以4000轉/分的速度驅車上山。在傳統汽車上，由發動機驅動的水泵會快速旋轉，並通過發動機輸送大量的冷卻液。但是，由於外面很冷，發動機可能不需要那麼多的冷卻液來保持發動機運轉。因此，如果使用電動水泵，就可以根據冷卻要求，通過節流來節省能源。

另一個例子是，一個48V的交流系統在高速公路巡航期間以低速運行壓縮機，而不是以由發動機轉速控制的非常高的速度運行。這裡的要點是，允許部件以基於所需輸出的速度運行，而不是簡單地基於發動機轉速，這對效率有很的好處。

Mary Gustanski提到使用48V電源可以更快地加熱柴油機排氣系統中的催化劑，以減少排放。在兩者之間，增加電氣功能，可以實現再生制動，從電動機的增壓減少發動機負荷，不依賴於發動機轉速，更有效地驅動部件，並減少渦輪增壓器滯後。

可以肯定的是，這項技術的好處遠遠超過了提高15%的燃油經濟性。豪華車上尤其如此。例如，賓利賓塔伊加（Bentley Bentayga）使用48V電池驅動防傾杆系統系統，獲得了更好的操控性，奧迪則使用48V電池組為電動增壓器提供動力。

她解釋說，48V技術可以極大地提高車輛的啟動能力。本田思域（Honda Civic）的「E-charger」可以在停止/啟動中以較低的發動機轉速啟動車輛的渦輪，基本消除了渦輪遲滯和低轉速扭矩不足，使低速扭矩增加25%，加速性能提高30%。

所以48V的系統意味著車內可以有更多電子設備，而且意味著引擎蓋下有更多的性能，這是12V電池所無法企及的。不過，未來的48V設計並不是要完全取代目前的電力架構（就像汽車業在20世紀90年代考慮用42V系統卻半途夭折那樣，完全棄用12V牽扯到的複雜性和成本過高導致推廣阻力過大），其本質上是以一種溫和的混合動力起到了補充作用。換言之，一個新的電動機和48V電池只是簡單地添加到內燃機和普通的12V電池上，類似於通用汽車別克君越的BAS混合動力車。

與通用的老款電氣化動力系統類似，大多數新的雙電壓輕混動力設計（如雷諾風景（Scenic）的48V系統）由三個主要部件組成：皮帶發電機起動器（也稱為皮帶驅動起動器發電機或電機發電機組，MGU）、直流-直流轉換器和更高電壓的電池。

以上三個部件旨在輕鬆適應普通非混合動力汽車的電氣系統和包裝環境，MGU取代了前端附件驅動上的傳統交流發電機，DC-DC轉換器和電池在後備箱中佔據了少量空間。這使得48V輕混車成為一種相對便宜、容易和輕便的方式。Mary Gustanski稱之為「一輛完整的混合動力車，50%到70%的好處，卻只有30%的成本。」這50%到70%意味著約10%到15%的燃油經濟性改善。

採用高壓電池還有一個明顯的意思，Mary Gustanski說，48V電池可以提供4倍於12V電池的車載功率，這意味著它可以用來驅動大量的高牽引附件，如風扇、泵、電動轉向架和壓縮機，讓它們更有效地工作。此外，因為在較高電壓下通過導線的電流較低，線束的尺寸和重量都減小了。

與交流發電機一樣，發動機發電機組通過附件皮帶與發動機曲軸相連，除此之外，48V機組通常採用液體冷卻，並配有特殊的張緊器，以適應MGU和MGU將施加扭矩的事實。在第一種情況下，大約10kW的單元充當一個電機，通過逆變器接收來自車尾的行李箱中48V鋰離子電池的電流，該逆變器將直流電源轉換為交流電源來驅動電機。然後，發動機通過傳動帶讓汽油或柴油發動機轉起來。

這個裝置不僅像馬達一樣工作，同時向曲軸傳遞扭矩，所以它也是一個發電機，接收扭矩是為了完成其最基本的任務，即為汽車後部的48V電池組發電。這不僅發生在發動機啟動和皮帶旋轉時（如使用傳統交流發電機），而且發生在發動機關閉和車輛滑行或制動時。這意味著內燃機能夠切斷燃料供應，車輪實際上通過一個鎖定的變矩器轉動內燃機。發動機曲軸上的皮帶帶動發動機旋轉，為48V電池提供能量。

因此，該裝置的作用不僅是在啟動/停止事件後無縫啟動汽車，執行交流發電機的充電任務，同時通過在曲軸上施加扭矩來減少發動機上的負載，而且還允許再生制動。

既然高電壓好，那為什麼不是64V、72V呢？她說，更高電壓的電池可以提供更大的容量，但政府標準要求使用昂貴的屏蔽、導管（許多混合動力車中看到的橙色導管），而任何高於60V的汽車電氣系統連接器都被稱為「高壓」）。將電壓保持在這個閾值以下意味著這些溫和的混合動力系統的總成本可以保持在80到1200美元之間。這一點很重要，因為汽車製造商願意為節油技術付出的「經驗法則」是每MPG（每加侖汽油可行駛英裡數）增益為50-100美元左右。增加10%到15%的裡程，輕混動力系統可以做到。

寫在最後

有專家預計，到2025年，48V技術將達到全球汽車銷量的五分之一。除了減少有害廢氣排放並提高燃料經濟性外，由48V電氣系統實現的功率增加還可滿足消費者對高科技信息娛樂、便捷性和輔助駕駛安全功能日益增長的需求。

業內很多製造商已接受這一變革。不過，在新能源與節能汽車領域，中國市場目前仍由純電動和插電式混合動力汽車佔據著絕對優勢，48V系統仍未批量應用於市場。總之，2020年將是48V系統市場爆發的時間點，迎來第一輪高速增長只是時間問題。