汽車48 V系統(tǒng)介紹及線束適應(yīng)性設(shè)計(jì)

許 森，李雪松，王彩云，賀志偉

（一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部，吉林 長(zhǎng)春 130012）

汽車普及在帶給人們舒適和便捷的同時(shí)，也帶來(lái)了能源和環(huán)境的危機(jī)。面對(duì)國(guó)家工信部公布的2020年5 L/100 km（117 gCO2/km）能耗排放要求［1］，汽車48 V系統(tǒng)被公認(rèn)為是目前最具性價(jià)比的節(jié)能減排技術(shù)手段，填補(bǔ)了12 V起停系統(tǒng)和高壓混合動(dòng)力系統(tǒng)之間的技術(shù)空白，正受到越來(lái)越多的主機(jī)廠和供應(yīng)商的青睞，大有百家爭(zhēng)鳴之勢(shì)。

1 汽車48 V系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

汽車48 V系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)的補(bǔ)充，不同于之前42 V系統(tǒng)對(duì)12 V系統(tǒng)的完全替代方案，整車仍然保留了大部分經(jīng)過(guò)數(shù)十年檢驗(yàn)的品質(zhì)可靠、物美價(jià)廉的12 V電器件，相比于高壓混合動(dòng)力，整車的可靠性和成本更容易被主機(jī)廠接受。48 V系統(tǒng)中的直流電壓最大約為54 V，不超過(guò)直流60 V的安全電壓范圍［2］，不需要為48 V系統(tǒng)設(shè)計(jì)高壓保護(hù)，也不會(huì)對(duì)維修和駕駛?cè)藛T造成人身危險(xiǎn)。搭載了48 V系統(tǒng)的汽車，將具備制動(dòng)能量回收、扭矩輔助、滑行起停、怠速起停、降低起動(dòng)噪聲、降低油耗、減少排放等功能，給人們帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)舒適的駕乘體驗(yàn)。

2 汽車48 V系統(tǒng)的架構(gòu)

汽車48 V系統(tǒng)通常由起發(fā)電機(jī)、逆變器（通常集成在起發(fā)電機(jī)內(nèi)部）、48 V蓄電池、DCDC轉(zhuǎn)換器和48 V負(fù)載（可選項(xiàng)）組成。起發(fā)電機(jī)可集成于發(fā)動(dòng)機(jī)本體（BSG），可集成于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間（ISG），可集成于變速器本體，可集成于后軸［3］。其中BSG方案由于不需要改變車身結(jié)構(gòu)，易于集成，成本相對(duì)較低等原因成為48 V系統(tǒng)的典型方案，典型的48 V系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車48 V系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 線束針對(duì)48 V系統(tǒng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

3.1 48 V系統(tǒng)對(duì)線束布置的影響

在用電功率一致的情況下，電壓越高，電流就越小，那么承載電流的導(dǎo)線截面積也就越小，但這只適用于48 V蓄電池到DCDC這一段導(dǎo)線。而B(niǎo)SG電機(jī)到48 V蓄電池之間要進(jìn)行快速的能量交互，所以48 V汽車的電源線截面積要比12 V汽車的電源線截面積增加很多，同時(shí)帶來(lái)了導(dǎo)線硬度的上升和轉(zhuǎn)彎半徑的增大，在線束布置走線時(shí)，要充分考慮，留出足夠的空間。BSG電機(jī)取代了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的作用和位置，BSG電機(jī)電源線從高頻振動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡到相對(duì)穩(wěn)定的車身，過(guò)渡部位的線束要避免一點(diǎn)受力形變，否則易出現(xiàn)線束折斷風(fēng)險(xiǎn)。

由于整車線束上存在2個(gè)電壓等級(jí)，將12 V線路和48 V線路分開(kāi)布置自然是最理想的情況，但實(shí)際情況往往難以滿足，線束設(shè)計(jì)師要做好2個(gè)電壓等級(jí)線路的標(biāo)識(shí)區(qū)分，設(shè)計(jì)防錯(cuò)裝結(jié)構(gòu)，盡量不要出現(xiàn)2個(gè)電壓等級(jí)的回路共用一個(gè)連接器的情況，規(guī)避短路風(fēng)險(xiǎn)。

線束的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致可以簡(jiǎn)化成E型結(jié)構(gòu)和H型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。采用E型線束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的車身，前圍防火墻鈑金上只有一個(gè)線束過(guò)孔，如果搭載了48 V系統(tǒng)，線束會(huì)出現(xiàn)繞線、擁擠等現(xiàn)象，給線束布置帶來(lái)困難。采用H型線束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的車身，前圍防火墻鈑金上左右各有一個(gè)線束過(guò)孔，可以有效緩解線束繞線、擁擠的現(xiàn)象。

圖2 E型和H型線束拓?fù)浜?jiǎn)化圖

3.2 48 V系統(tǒng)大線經(jīng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)接盒設(shè)計(jì)

在整車線束的設(shè)計(jì)中，越少的分段方案意味著越低的物料成本和失效風(fēng)險(xiǎn)，但受到發(fā)動(dòng)機(jī)分裝、儀表板分裝等裝配因素的影響，整車線束不得不拆分成多個(gè)線束總成，如發(fā)動(dòng)機(jī)線束、儀表板線束和車身線束等。受到機(jī)艙的空間、溫度等因素的限制，往往會(huì)將48 V蓄電池和DCDC布置在駕駛室之內(nèi)，所以BSG電機(jī)和48 V電池之間需要經(jīng)過(guò)一到兩次轉(zhuǎn)接，按照48 V系統(tǒng)電源線的線徑，沒(méi)有合適的連接器可用，需要專門設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接盒用于大線徑導(dǎo)線的轉(zhuǎn)接。針對(duì)轉(zhuǎn)接盒的設(shè)計(jì)，筆者推薦具備表1所述特點(diǎn)。

表1 轉(zhuǎn)接盒特點(diǎn)

3.3 48 V系統(tǒng)線束的防腐蝕設(shè)計(jì)

線束端子在48 V電壓下工作時(shí)，電化學(xué)腐蝕的速度會(huì)比在12 V電壓下工作時(shí)快［4］，筆者建議不僅處于機(jī)艙的連接器要做防水處理，駕駛室內(nèi)的48 V線束也要選擇防水連接器。對(duì)于沒(méi)有連接器的大線經(jīng)連接位置，建議浸錫處理并設(shè)計(jì)保護(hù)罩，盡可能防止水氣等電解質(zhì)的侵蝕。

3.4 48 V系統(tǒng)熔斷絲的選型設(shè)計(jì)

BSG電機(jī)的電流曲線波動(dòng)很大，沖擊很高，需要選擇耐沖擊類型的熔斷絲，熔斷絲的容量需要根據(jù)BSG電機(jī)的電流曲線來(lái)選取，筆者推薦i2t的方法，具體的計(jì)算方法如公式（1）所示。

式中：脈沖電流——單次脈沖所產(chǎn)生的電流沖擊；熔斷絲熔斷 ——熔斷絲熔斷需要承受的電流沖擊；相對(duì)i2t——前兩者的百分比，為了確保熔斷絲的電氣壽命，筆者推薦i2t在37%以下。

通常在電源和負(fù)載之間的線路上，只在電源側(cè)設(shè)計(jì)1個(gè)熔斷絲，因?yàn)殡娏鞯姆较蚴菑碾娫戳飨蜇?fù)載。但BSG電機(jī)和48 V蓄電池之間的電流方向是隨工況的變化而變化的，如圖3所示，建議在此線路的兩端都設(shè)計(jì)熔斷絲，避免線路短路帶來(lái)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 BSG電機(jī)和48 V蓄電池間電流方向示意圖

3.5 48 V系統(tǒng)熔斷絲和導(dǎo)線的匹配設(shè)計(jì)

熔斷絲和導(dǎo)線匹配的宗旨是在線路的所有工作環(huán)境下，無(wú)論線路處于短路還是過(guò)載的情況下，熔斷絲都要在導(dǎo)線發(fā)煙之前熔斷。可以通過(guò)對(duì)比熔斷絲的熔斷曲線和導(dǎo)線的發(fā)煙曲線來(lái)選取，如圖4所示，在80 ℃的環(huán)境溫度下，60 A熔斷絲的熔斷電流始終比10平方導(dǎo)線的發(fā)煙電流低，所以匹配是可以的，而100 A熔斷絲的熔斷電流在100s的時(shí)候高于導(dǎo)線的發(fā)煙電流，所以匹配是有風(fēng)險(xiǎn)的。

圖4 熔斷絲熔斷曲線和導(dǎo)線發(fā)煙曲線

3.6 48 V系統(tǒng)繼電器的選型設(shè)計(jì)

汽車48 V系統(tǒng)不可沿用12 V系統(tǒng)下的繼電器。如果向額定電壓12 V的繼電器線圈施加48 V電壓，會(huì)導(dǎo)致繼電器線圈過(guò)渡發(fā)熱，燒損線圈之間的絕緣膜引發(fā)匝間短路，進(jìn)而燒毀線圈，甚至引發(fā)火災(zāi)。同時(shí)，繼電器觸點(diǎn)在即將接觸和剛剛分離的時(shí)候，需要切換比12 V系統(tǒng)能量高得多的電弧，觸點(diǎn)材料和觸點(diǎn)間隙也要相對(duì)12 V系統(tǒng)有所增加。

3.7 避免對(duì)其他零件的電磁干擾

BSG電機(jī)和48 V蓄電池工作的過(guò)程中，彼此線路中波動(dòng)很大的仿真工作電流如圖5所示，會(huì)向周圍輻射較強(qiáng)的電磁波，所以建議對(duì)48 V系統(tǒng)電源線的布置，要遠(yuǎn)離天線、揚(yáng)聲器、鑰匙接收器等易受干擾的電器件。

圖5 48 V系統(tǒng)仿真電流圖（NEDC工況）

4 結(jié)束語(yǔ)

48 V系統(tǒng)的引入，帶給線束設(shè)計(jì)新的挑戰(zhàn)，線束需要從線路布置、原理配電等方面綜合考慮，全面應(yīng)對(duì)，避免設(shè)計(jì)缺陷的產(chǎn)生。

［1］ 張英男，陸春，劉桂彬.汽車48 V系統(tǒng)的發(fā)展［J］.汽車與配件，2015（19）：70-71.

［2］ 張英男，陸春，劉桂彬.48 V系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車安全要求國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)適用性分析［J］. 汽車實(shí)用技術(shù)，2015（5）：108-110.

［3］ 朱敏慧.48 V：高性價(jià)比電氣化解決方案［J］.汽車與配件，2016（46）：50-51.

［4］ 忻文.48 V汽車電子電氣系統(tǒng)架構(gòu)的未來(lái)［J］.汽車與配件，2014（20）：28-30.