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車用48V電力系統勢不可擋
新一代汽車設計
[作者 盧傑瑞]   2017年09月12日 星期二 瀏覽人次: [299]


雖然48V電力系統作為未來車用用電標準選項之一並非是最新的議題,但是在陸續被發不出來的訊息裡,可以查覺到,未來車用電壓排除其他電壓規格,而採用48V電力系統似乎已經是底定的了。


從車用電壓6V、12V再到48V電力系統

先來簡單回顧一下,車用電壓的發展。


在1970年代的汽車已經開始導入各種電子設備,當時便出現過一次,6V電壓系統與12V電壓系統的車用電壓標準爭奪戰。由於車用的電子零件,例如配有錄音帶卡匣的音響、車用控制電腦、定速裝置、ABS…等等大量採用積體電路,使得6V電壓系統無法滿足日益增多的車用電器功率需求,因此敗陣下來,導致汽車產業全面採用12V電壓的系統。


到了1990年代,新一代的汽車設計更是朝向安全、舒適化因此更離不開各種新穎的電子設備(圖一),逐漸的12V的電壓系統對於電子設備的用電需求,也開始出現有點力不從心,因此美國SAE會議進行了一連串的討論,希望把車用電氣平台從現有的12V提升到42V來滿足未來的需求,不過結果是失敗的。原因是對於42V供電來說,是一場汽車架構的革命,在當時需要將車用所有的電子零件進行全面化革新,這無異是一場大浩劫,因此除了部分元件採用42V驅動電壓之外,其餘大部分的設備仍舊維持在使用12V電壓來驅動(圖一)。



圖一 : 依賴電力下汽車的設計,不斷朝向更是朝向安全、舒適化
圖一 : 依賴電力下汽車的設計,不斷朝向更是朝向安全、舒適化

時至今日,環保意識大幅度抬頭,油電混合動力、全電動力等等的新一代汽車被發表出來,再加上歐洲在2020年須達到95g/km法規的決議,事實上,面對這些動力,12V電壓已經是無法負荷所需,因此次世代的車用電壓議題又被提出來討論,與上次1990年代不同的是,電壓標準的主導者已經由美國轉變成德國(圖二)。



圖二 : 德國德國五大車廠主導者此世代車用電壓標準
圖二 : 德國德國五大車廠主導者此世代車用電壓標準

德國五大車廠強勢推動48V電力系統

奧迪、寶馬、賓士、保時捷和福斯,這5家德國汽車廠聯手製定了LV148標準,並決議將LV148作為48V電力系統的標準,採用了漸進式的轉換,在12V車用電氣平台上透過DC/DC轉換器,在架構出一層48V電壓的供電系統,達到48V/12V雙總成電壓(圖三)。



圖三 : 透過DC/DC轉換器,在架構出一層48V電壓的供電系統,達到48V/12V雙總成電壓。
圖三 : 透過DC/DC轉換器,在架構出一層48V電壓的供電系統,達到48V/12V雙總成電壓。

不過,42V與48V一樣,屬於60V以下的低壓電力,當時42V電力革命時是以失敗作為收場,為何時至今日48V卻備受注目,更是被視為解決目前電力驅動種種問題的救星。其中的差別是,當時42V電壓系統的目的在於,為車輛提供更多電力,但當時對於「更多電力」卻沒有迫切的需求。但是現今,環保節能的壓力、隨著車輛智慧化而帶起的電氣化趨勢,各方面的系統,對於電力的需求卻是相當急迫,這些都是48V所能展現出來的優勢性,例如自動駕駛的應用,採用自動駕駛技術的車輛,必然會拋棄傳統的液壓方式而改為電控,這時如果仍舊採用12V的電壓系統平台,勢必無法順利驅動與控制無人駕駛的車輛。


所以越來越多的汽車系統已經從機械或液力驅動轉為電力驅動,如轉向系統、啟動系統、水幫浦等這些相當耗電功能應系統,這些將會從48V電壓機制中供應電力,而包括傳統照明和資訊娛樂等等則是由12V電氣系統供應,因此12V電氣系統不會很快消失。車上的電器將由12V和48V電力系統聯合供電,避免因為電壓的驟然改變,讓全球的汽車業界出現無法因應的影響(圖四)。



圖四 : 車上的電器將由12V和48V電力系統聯合供電
圖四 : 車上的電器將由12V和48V電力系統聯合供電

48V電力系統的優點已經逐漸被發掘出來,例如,目前的採用12V的電壓的怠速熄火系統(start-stop system)一直被駕駛者所抱怨,尤其是在市區內行駛時,面對紅綠燈或短暫停車時,怠速熄火系統的工作並不順暢,但是當採用48V電壓的供電之後,不順暢的問題便得到大幅度的改善。除此之外,從Audi的例子中就可以感受到,48V電力系統對歐洲車廠的吸引力。原本一直困擾著德國AUDI車廠SQ7車款的渦輪增壓引擎增壓遲滯,在導入以電動超級充電48V電力系統的電子式雙渦輪增壓系統之後,這樣的問題便迎刃而解,更能充分發揮出SQ7車款的高價值。


享受到充沛動力的即時輸出

因此,在這種環境下,標準的12V電子系統變得越來越捉襟見肘。48V系統便逐漸被重視。在豪華車上面,這種趨勢越來越明顯。例如賓利車廠就用了一個48V的電池去驅動電動防傾桿系統,以達到更好的操控。而Audi也同樣用了同樣的電池組去為電動增壓器供電。而電動增壓器供電對於提高汽車的加速能力有很大的幫助。Delphi Automotive PLC的E-charger就被應用在本田的新一代設計上面,讓汽車在很低的引擎轉速,強化了怠速熄火系統的啟動能力。


升級48V電力系統的優點是什麼,Audi認為傳統使用12V電壓配置與鉛酸電池之組合,約可供應3kw之電能輸出,能夠供應一般車輛上用電低的電子設備,但其實已負荷不了現代化或是替代能源車款對於電力的需求,更負擔不了電子渦輪增壓器所需電力,因此才加上了這套48V電力系統配置,原廠表示這套獨立48V電力系統可提供10kW電能,比12V供應的3kW電能多出幾倍,如此才讓喜愛駕駛的車主能夠享受到充沛動力的即時輸出(圖五)。



圖五 : 在48V電力系統下,3KW~10KW的架構驅動最適當。
圖五 : 在48V電力系統下,3KW~10KW的架構驅動最適當。

更高的電壓,帶來的影響力也更大,一個48V的電池能夠供應的汽車電量是12V電池的四倍,這樣得改變,就可以強化風扇、電動助力轉架、泵和壓縮機使得產品更有效率,同時這對電子線束尺寸和重量也了很大的改善。在標準規定下,汽車所使用的電壓如果高於60V,需要進行更多的電子方面工程,包括更高標準的抗電磁波、線管和連接器的安全需求,如此一來勢必也會加重成本的負擔。


如果將電壓保持在這個電壓以下,世界上最大的汽車零部件製造公司之一的Delphi Automotive PLC估算,輕度混合動力系統的成本能夠控制在800到1200美金之間。根據拇指法則,汽車在MPG獲得的燃油節省技術上面投入的成本有個期望,那就是每提高一個百分點可以支付的成本為50到100美金。這個輕度混合動力成本正是滿足需求的產品。


日本車悄然從重混合動力轉向

同時若怠速熄火時,鋰電池儲存的電能亦可分攤鉛酸電池負荷,一起供應車輛電子或空調設備用電,不僅如此,由於電壓提高至48V、電流較小,因此也將可使用較細的電纜,盡可能降低車輛負重。不只Audi受惠於48V電力系統而開發出更高附加價值的車種,並且將48V電力系統持續導入其他包括Q8、RS 5 TDI…等車款,包括Volkswagen的「Golf 8」、Volvo的「V40」也計畫導入48V電力系統。


歐洲的汽車產業,由於各大車廠之間原本就存在橫向的各種技術或商業合作,決定以48V電力系統的「LV148」作為標準之後,在未來的新車款設計與導入更為容易,面對配置100V以上高電壓型電池的重混動力汽車是市場主流的日本車來說,是一個相當不錯的商業策略。


當然這樣的平台變化,對於發展重混合動力的日本來說,應該是一項相當大的壓力,日本車廠一直在油電混合動力領域有著比較大的優勢,並且在技術上引領著世界,對於輕混合動力系統則一直處於保守觀望態度。目前的主流是配置100V以上高電壓型電池的重混合動力汽車,採用的是100V以上的鋰離子充電電池模組,雖然能使混合動力汽車(HEV)大幅提高燃油效率,但專用元件和耐壓元件成本是蠻高的。雖然日系車廠轉換到使用48V電力系統也會增加成本,但是相對於純電動汽車或重混汽車的成本來說,48V電力系統可節省成本40%~60%,而且48V鋰離子充電電池模組還能提高10~15%的燃油效率(圖六)。



圖六 : 日本目前的主流是配置100V以上高電壓型電池的重混合動力汽車
圖六 : 日本目前的主流是配置100V以上高電壓型電池的重混合動力汽車

例如,豐田早在1997年就量產了混合動力車型PRIUS,採用了自行開發的E-CVT無段變速,如今PRIUS已經發展到了第四代,其油電混合系統有著世界頂尖的燃油消耗率。除了豐田,日本的另一家大型車廠本田也不甘落後,在最新的本田雅哥上量產了i-MMD混合動力系統,這套系統取消了傳統的變速箱,由離合器片直接將動力輸出,其與豐田的混合動力技術一樣,能達到5L/100KM的油耗能力。


日本電池業者推出48V鋰離子電池組

BOSCH方面曾表示,多家日本車廠已經向他們訂購了48V輕油電混合系統,從2019年開始提供48V系統產品。雖然輕油電混合動力搭配電壓更高的車載電源,雖然能夠實現更高效的怠速熄火系統、動力輔助以及能量回收等功能。但從技術難度燃燒效率角度來說,日本所擅長的重油電混合動力都要高於48V輕混系統,那麼如今這些日系車廠為何要投向48V電力系統?


除了48V電力系統的壓力已是不可擋之外,隨著全球越來越嚴格的CO2排放量等有關燃效的規定生效,車廠也推動汽車動力部分的電動化。和需要高壓的重混合動力系統相比,由於48V輕混合動力系統具有更容易搭載,成本也更容易控制等,與汽油車相比,輕混合動力車的二氧化碳排放量最大可降低15%左右,而且系統還增加了馬達,使得汽車可以獲得額外的驅動力。因此除了歐洲車廠正在積極地推動實用化外,日本車廠也不得不正視與因應這樣的潮流變化。


面對48V電力系統時代的到來,日本相關業者也早就開始進行相關的準備。


48V電力系統的關鍵之一在於鋰離子電池的技術。目前市場上的48V鋰離子電池組一般由12~13個單體電池組成,多用於小型純電動車領域如電動單車、電動機車、電動三輪車等,還有電動工具等方面。


鋰離子電池技術不僅僅提供超過鉛酸電池3倍以上的能量密度,在充電性能方面也優於鉛酸電池,能更有效地儲存汽車本身發電量。鋰離子電池單體電壓為3.7V,為了達到電動汽車使用的電壓要求,就需要將單體電池進行串並聯組成電池組,以滿足電動汽車使用時需要的高能量高功率條件(圖七)。



圖七 : 鋰離子電池組是由單體電池進行串並聯組成
圖七 : 鋰離子電池組是由單體電池進行串並聯組成

不過,串並聯組成的鋰離子電池組也有使用上的困擾,如果其中一個電池經過多個充電/放電周期後,其充電狀態不能周期性地與其它電池平衡,最終會進入深度放電狀態而導致損壞,影響到整組電池的運作甚至造成電池組故障,因此在系統上就需要進行即時電池檢測(BMS: Battery Management System),來監視測量包括電壓、電流、荷電狀態等,當發現單一電池出現異常時,就必須更換單體電池以延長電池組的續航能力和使用壽命。


因此,日立針對中混動力汽車,開發了新一代高動力輸出的48V鋰離子電池組,這款新開發的48V鋰離子電池組將前述的BMS功能整合到電池組中,此外還將電池單體、繼電器、保險絲組裝載於同一箱體內,也強化了耐低溫的能力。同時日立也對電池的電極結構進行了微米級改良,形成了鋰離子易於流動的結構,在不降低電極薄膜厚度的前提下,大幅的減少電阻,進而提高了輸出密度。同時,日立更進一步地改良了正極、負極的材料,使得單位重量所積蓄的鋰含量能夠有效的提升,來增加能量密度,輸出密度達到過去的1.25倍(圖八)。



圖八 : 日立針對中混動力汽車,開發了新一代高動力輸出的48V鋰離子電池組
圖八 : 日立針對中混動力汽車,開發了新一代高動力輸出的48V鋰離子電池組

48V電力系統將以89%高成長發展

48V電力系統變得越來越流行了,而主要可以歸功於被要求滿足燃油經濟和二氧化碳排放標準。尤其在歐洲等先進的國家,這兩個方面的受到關心程度尤其高。根據協議預計到2020年,歐洲每公里的行駛帶來的二氧化碳排放為95克,而中國也制定的相對應的規範,希望到2021年每公里帶來的二氧化碳排飯也會低於117克,而美國則是到2025年,每公里行駛的帶來的二氧化碳排放為101克(圖九)。



圖九 : 全球各主要工業國已訂定汽車二氧化碳排放排放標準
圖九 : 全球各主要工業國已訂定汽車二氧化碳排放排放標準

48V電力系統取代12V電力系統帶來的不僅是成本的降低,更重要的是,48V電力系統能夠提供更多的電量,滿足不斷增加的各種汽車功能的需求。


毫無疑問,48V電力系統將會成為主流。據Technavio最新報導顯示,48V電力系統的全球市場,預測2017-2021的複合年增長率(CAGR)激增89%。Technavio 的Siddharth Jaiswall認為:「日本、印度、韓國等亞太地區的國家均在研發並採用低成本的48V系統,在預測期內將大幅推動中國的市場銷量。對於印度、韓國、香港和新加坡等國家和地區,在當前高電壓混合動力汽車市場尚未占據市場主導地位前,48V電力系統將被大量推廣採用。」


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