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国五落地国六将至48V弱混技术渐成“新宠”
来源：盖世汽车综合&&时间： 12:37&&编辑：王家浩&&
&&& 随着国内外油耗和排放法规日益严苛，各大主机厂开始着力研发具有超高燃油经济性的动力系统，兼顾油耗排放法规与成本的48V弱混技术成为了“新宠”。据IHS《全球洞察》预测，截至到2025年，48V混动汽车的市场占有率将占全球轻度混动车市场的95%，几乎将是全球混动汽车总量的一半。更重要的是，中国未来将成为48V技术的主要市场，到2025年大约会有接近800万台的48V车型在中国生产。&&& 48V弱混面向未来蓄势待发&&& 凭借着优化燃油经济性、降低排放的强大优势，48V车强势来袭。原先汽车搭载的12V电源电压，由于12V电源蓄电池的电量不足，无法长时间为全车用电器提供电源，因此在使用自动启停功能时，发动机经常会重新点火，并且能量回收不充分，节油不彻底。然而搭载48V电源系统将拥有更高的蓄电池容量和更高的电压，可以更加游刃有余地为全车用电器提供能源。同时高电压设计能够支持功率更大的起动机，自动启停功能的反应速度将进一步得到提升。起步时用电机起步、滑行时用电机回收能量、全油门时电机还能协助输出动力。而且空调也能使用电机，熄火后不会停止工作。此外，48V弱混系统除了优化当前的自动启停功能，还具有发动机停机滑行、航行与制动能量回收、加速助力和电巡航功能。&&& 作为博格华纳最新的创新解决方案――集成了电子器件的eBooster?电子增压器技术作为传统涡轮增压系统的重要补充而受到全球各大汽车制造商的广泛关注。近几年，各大车厂欣喜地发现全球领先的技术创新先驱博格华纳研发的eBooster?技术，可充分利用48伏电源根据需求提供高效的增压解决方案，实现完美的低速扭矩，为它们研发面向未来的发动机打下坚实基础。&&& 48V与eBooster?：强强联合缔造强劲动力&&& 48V的eBooster?的功率是5kW，最大转速在72,000转，达到90%的最大转速需230毫秒。瞬时可以达到6.2kW，在持续工作中，可以达到2-3kW。博格华纳没有把eBooster的功率做得更高是因为需要考虑系统整级效率问题。提高压比并不是等比例提高电量就可以的，如果提高压比导致整级系统使用在低效率范围内，那么意味着要消耗更多的电量为代价。因此博格华纳是综合考虑了功率范围和电子增压器压比的。同时，应用eBooster的48V系统可使燃油效率提升多达35%，能显著降低排放。&&& eBooster?与涡轮增压器的天作之合带来舒适的驾乘体验&&& 博格华纳独家的eBooster? 电子驱动技术与涡轮增压器协同工作，可根据需求提供增压的同时也能有效避免可察觉的涡轮迟滞现象。传统的涡轮增压动力系统带给驾驶者最大的困扰是涡轮迟滞。在发动机转速较低时，涡轮增压器并不介入工作，而当发动机转速提升后，排气流量瞬间变大使得涡轮增压器介入工作，驾驶者能明显感受到踩下油门的一瞬间没有很强大的动力，瞬时动力甚至比一般的自然吸气发动机输出更疲软一些，只有等到转速攀升到一定程度，强劲的动力才逐步跟上。eBooster?技术可在不损耗发动机能耗的前提下，很好地解决了涡轮迟滞现象：发动机低速运转时，排气流量还带不动涡轮增压器的叶轮时，由电机先驱动eBooster?介入工作，提供增压。等到排气流量变大后，通过废气带动另一个涡轮增压器介入工作。涡轮迟滞现象的消除给驾驶者带来了更强劲的动力体验，可以在更短的时间内，扭矩达到最大值。因eBooster?由电机驱动，230毫秒就可以达到电子增压器的最大转速。车辆的加速性能和操控感得到显著提升。此外，eBooster?本身体积小且非常轻便，并有良好的NVH效果。整个eBooster?系统和汽车匹配后的效率很高。&&& 除此以外，eBooster?和涡轮增压器的配合相当于两级涡轮增压器。在这个过程中，eBooster?在发动机高转速运转时保持2-3kW持续增压，以辅助涡轮增压器。这不仅可以大大提升发动机在各个转速时的扭矩, 还为发动机小型化提供更多的可能性，从而降低燃油的消耗量。值得注意的是，添加eBooster?后的增压系统可以更好地为发动机提供增压，这是因为在与发动机匹配的过程中，eBooster?在发动机低转速时具有很好的效果，涡轮增压器从而可以在和发动机匹配时更专注于发动机中高转速，从而提供更好的增压效果，以及更大程度提升驾驶乐趣的同时节省燃油消耗量并且降低排放。&&& 数据来源: 福特野马2.3L EcoBoost测试车，并且我们匹配了另外一个涡轮增压器。使用数据时请换算数据至Nm(1ft-lbs=1.3558Nm)&&& 应对日益严苛的排放标准助力发动机小型化和低速化&&& 随着国内CAFC法规逐年收紧，2020 年将要求所有车企达到 5.0L/100 公里以内的目标限值。而小型化和低速化是汽车提升燃油经济性、降低排放的重要技术依靠。配备了eBooster?之后，可将变速箱和差速器等一系列传动装置与发动机相匹配，使发动机在既定的高速路工况下以每分钟较低的转速运转。例如：汽车加速、爬坡的时候，驾驶员一般换到低档位，降档升转速，然后踩油门加速，由此一来，扭矩会比较大。而使用了eBooster?之后，不需要降档，可直接在高挡位低转速时提供较大扭矩，从而实现了发动机的低转速化，以降低油耗和排放。此外，eBooster?也可助力发动机缩小尺寸，使小型发动机的扭矩和功率与大型发动机相媲美。以eBooster?量产的第一个项目戴姆勒的S Class举例来说：它原本采用4.8L的V8发动机，最大功率为320kW。然而加了eBooster?之后，在功率不变的情况下，发动机变为3.0L，I6发动机。&&& 涡轮增压的未来畅想&&& 涡轮增压器的未来之路将会实现从eBooster?到eTurbo?的进化。秉承相同的理念，eTurbo?是博格华纳正在研发的一款由电能辅助的集成电机式涡轮增压器。这一产品所面临的最大挑战是实现轴承概念和集成电机，并将很重的集成电机在涡轮增压器高转速下同时实现高速运转。目前博格华纳已经生产了一个实验样机，并且很多欧美OEM都已经拿到了样机开展实验。相信这将是一种面向未来的解决方案，在较短的时间内获得最大扭矩，为驾驶者带来更有乐趣的驾驶体验。&&& 迫于越来越重的环境压力和油耗限制，中国汽车的未来之路必定迈向更加清洁、高效转型升级之路。面对12V系统节油效果不佳、电机与电池的性能受限等种种问题，全新48V系统应运而生。它在提供持久的强劲动力的同时可有效提高燃油经济性、降低排放，这是目前市场上公认的最有效应对即将全面实行的国六排放标准的解决方案。博格华纳研发的高效的增压解决方案48VeBooster?，具有超高燃油经济性，能够切实助力发动机小型化和低速化。目前，许多国内车厂与博格华纳eBooster?电子增压器技术的合作洽谈正在紧锣密鼓开展中。
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数据中心未来供电技术发展浅析（下）
摘要：本文以业界主流技术为主进行梳理分析，抛砖引玉，以便大家更为深入的讨论未来数据中心的发展方向。继续为大家分享现有12V的市电直供方案和面向未来的48V市电直供架构。
　　三、现有12V的市电直供应用情况
　　3.1Google的12V分布式UPS
　　Google的12V挂电池方案以分布式电源加分布式电池作为掉电备份。它的每个服务器带一个电源并配一个铅酸电池，市电正常时市电直接给设备供电并将电池充满，市电中断时电池放电直至柴发起来继续供电。
　　它有两个特点：
　　1、电源产自中国，输出参数为13.65V
&20.5A，由此可见该服务器的总输出功率不会超过250w。有趣的是，这个电池会接入开关电源，那么我们姑且把开关电源当成一个UPS。市面上最低档次的UPS每个需要几百块钱，而一个13.65V输出的UPS，不会比它更贵。
　　2、从公开的资料上看，所使用的电池是免维护铅酸蓄电池无疑，但其容量只有3.2ah，充其量只能够维持3、4分钟以内的服务器掉电保护时间。
　　该方案的核心技术是电池管理及切换控制，原理如下图所示，其供电效率达到了99.99%。
　　3.2 微软的12VBBU集中式市电直供方案
　　下图是微软的12V电池BBU集中式市电直供方案，微软在2010年推出该ITPAC的机柜服务器供电方案，从概念图上看机柜采用&集中电源供电，并在12V母排集中挂锂电池&的备份方案。它的上半区和下半区单独供电，单机柜以18.6KW功率给96台服务器供电。选用的4.5KW高效率服务器电源模块通过12V集中母排给服务器子机单元供电。市电正常时直接给设备供电，市电中断情况下，靠锂电池短时间放电过渡，直至柴发起来承担全部负载。
　　3.3 随着功率增加，12V将不再适合于数据中心
　　从前面的两个案例可以看出，不管是Google的12V带电池分布式小UPS供电方案，还是微软的12V锂电池BBU半集中式供电方案，都实现了接近市电直供的100%供电效率。但12V电池要么直接挂在IT设备内，要么就安装在服务器机柜内，以尽量减少低压供电的传输损耗。谷歌12V分布式供电尽管传输损耗较小，但电源和电池数量大、成本高、电源负载率低，因而效率会偏低;而微软的12V集中式供电的电源和电池数量少、成本稍低、负载率高、电源效率高。但鉴于12V供电传输损耗大，两种系统都存在一定不足。
　　随着业界IT机柜功率的不断增加，以及对能效要求的增长，12V低压传输损耗及成本会成为严重限制。举个简单的例子，对于12KW的机柜，如果采用12V集中单母线供电，那么供电电流可以高达1000安培，假设电源框和母线等的接触电阻为1毫欧，光接触电阻的损耗也会高达1KW，若算上铜排上的大电流传输损耗及电源插框的电源转换效率损耗，总损耗将高达3、4千瓦。采用48V的较高电压供电方案，则可以大大降低传输及接触电阻损耗，且48V电源的效率比12V电源的效率高2%以上。如下图的两者损耗分析对比显示，采用12V集中供电方案，机柜的总功率不宜超过6-8KW，如果超过10KW，传输及接触电阻损耗就会很大。而采用48V供电方案则没有这个问题，整机柜的总功率可以高达30KW以上，传输及接触损耗都可以控制在较小的范围内。
　　当然采用类似微软的做法，将总功率分散在两个甚至更多的电源插框中可以减少母线电流，但仍会带来更多电源插框占用宝贵机柜空间的问题，以及更多电源和电池导致更大投资成本等问题。
　　最后，12V低压市电直供方案，还极大地挑战对于电源及电池BBU的设计。毕竟5%的允许波动电压，以及至少几分钟的电池掉电备份时间等要求，对于电源及电池的设计和选择都极为苛求。总体而言，目前业界采用12V直挂电池市电直供方案的用户较少，且未来将有更多的用户更倾向于48V市电直供技术方案。
　　四、面向未来的48V市电直供架构
　　如上图，从电网侧到CPU的整个供电路径上，采用传统12V供电方式带来的供电损耗会比采用48V供电方式的损耗高出很多。在未来高功率密度应用场合，12V已不再适宜。48V市电直供方案在通讯行业已然成熟。传统的48V供电方案是集中式电源系统，而未来发展的48V市电直供方案采用的是分布式电源和IT融合的方案，电源和电池就近放在IT机柜边上，甚至放到IT机柜内部以减少供电传输损耗及线缆投资等。且它允许48V电池电压的波动范围较宽，电池备电时间也可大幅度提高。目前48V电源最高效率超过了97%，成本也比12V电源低很多，是个低成本高效率解决方案。而它带来的问题是部分IT设备需要定制。目前在数据中心行业，很多IT设备及基础设施都已经实现了48V供电架构，推动起来的难度比采用380V高压直流要小很多，目前业界已有较多互联网公司采用48V供电架构。
　　1、Facebook的48V半集中供电架构
　　从公开资料上看，Facebook采用了分布式服务器电源加分布式48V电池的方案，每台服务器配一个277Vac和48Vdc双输入、单输出为12.5V的定制电源。其中277Vac接口直接接到市电交流PDU上，而48Vdc接口连接到48V直流PDU。市电正常时市电直供，当市电异常或者中断情况下，48V电池瞬间放电短时备份，直至柴发起来承担负载。
　　在实际的物理布局上，由于分布式48V备份电源不能长距离传输供电，因此电池就近摆放在IT机柜边上，每个电池柜覆盖6个IT机柜。如前面所述，市电正常情况下市电承担了全部负载，48V电源只作为充电器使用，能保证对备份电池的充电即可，因此48V电源只是个小充电插框，直接放置在电池柜顶部即可，如下图所示。
　　Facebook的这个市电直供48V备份方案采用铅酸电池作为后备，考虑到铅酸电池的功率密度低、对温度敏感且存在漏液等风险，因此把电池放在了IT机柜之外但靠近IT机柜之处。每个市电+48V双输入服务器电源内部是将两个电源并联在一起，数量多，定制成本高，投资造价大。所以在后续的整机柜版本中，facebook改用了电源更少的集中电源插框供电方案。且随着电池技术的发展(如更高密度、放电能力更强及高温特性更好的锂电池价格的下降)，电源及电池会直接从IT机柜外转移到IT机柜内部，显得更为分布，如open
rack的V2.0版本。
　　如前的12V供电分析，facebook的这个V2版本虽然电源适当集中，且电池和电源就近匹配安装，但单机柜内仍采用了三个电源插框，以及多根供电母线排等，这并没有解决电源数量多，12V低压传输损耗大等问题。而48V供电架构，可以只用一个电源插框及一根母线排，且48V锂电池包较为成熟且容易设计，因此这个V2应该只是个过渡版本，未来一定会向48V供电架构切换(数据中心基础设施可以基本保留不变，将电池柜替换成整机柜即可完成升级)。
　　右上图的市电转48V再直接降压到12V的供电架构，如前述，具有极高供电效率和较低的传输损耗，技术成熟度最高且可选的供应商非常多，是未来数据中心的供电架构方向。据不可靠资料，目前业界的Google、Amazon和思科等公司已经在采用此方案。当然这个架构的需要将传统服务器主板上的12V输入供电修改为48V输入供电，技术难度很小。现在有很多刀片服务器、网络板卡等都是采用48V输入供电。在服务器白牌化、深度定制的今天，前述互联网巨头要定制48V输入供电的服务器就如探囊取物，十分便捷。
　　2、考虑到数据中心的整体需求，对交换机、网络设备、行间空调等设备供电归一化
　　随着数据中心技术的发展，未来的IT和基础设施会更为融合在一起。正如今天我们看到的机柜级服务器集成了电源和风扇，服务器会板卡化，支撑的电源和散热组建也会适当集中。再往上一级，比如微模块级，分布式供电和散热组建一定会更为靠近IT负载，分期投资并弹性配置以实现就近供电和高效散热，这种情况下散热系统的供电跟着分布式电源走。刚好目前主流的末端空调EC风机也是48V供电，分布式电池还可作为散热系统的持续供电保障。
　　数据中心内部的交换机、防火墙等网络设备基本都是可以选配可支持48V供电的电源(比如Facebook数据中心的网络设备基本采用48V直供供电)，因此网络设备和其他弱电、监控、照明等可以很容易地选择适当的48V电源以支持数据中心内的其他部分供电，最终实现48V供电的IT和基础支撑的归一化。
　　3、和铁锂电池、燃料电池、太阳能、风能等结合在一起的直流微网架构
　　我们前面提到数据中心供电技术很大程度上取决于电池技术的进步和发展，传统的铅酸电池由于功率密度以及安全性等原因不适合直接和IT设备放在一起，但锂电池则由于其高功率密度以及高温特性好等原因，未来很有可能会以BBU等形态和IT设备就近摆放，甚至会放在IT设备内部。当电网正常或者新能源供电满足负载需求的时候，直接给设备供电，电池作为储能单元充电备份。当供电出现波动或者中断情况下，电池放电承担起负载，锂电池的大电流放电能力非常适合此应用。
　　除了铁锂电池，未来燃料电池也可能给IT机柜供电。据微软公开的一份白皮书显示，微软正在研究沼气燃料电池以求在提升设备能效的同时降低总体运营成本。微软表示，把燃料电池直接放到机架层(rack
level)的话，将大幅减轻设备对于UPS、发电机、开关装置等&耗电大户&的依赖。
　　数据中心行业关注数据中心的高能耗，以及目前主流的燃烧化石能源发电带来的环境污染问题。绿色环保组织也在持续曝光各公司的碳排放，目前业界一些互联网公司已经开始采用绿色的风能、太阳能等新能源用于数据中心的供电，而这些通常不稳定的绿色能源发出的交流电需要被整流并储能才可用于IT设备。因此对于大型的数据中心可能采用380V等高压直流来储能，但对于小型的分布式数据中心则会采用48V的直流微网架构。
　　五、结语
　　随着数据中心技术的发展，降低运营成本和节能减排的需求日益突出，市电直供方案已成为未来趋势，并将在大型的互联网数据中心等场合应用得越来越广泛。380V高压直流在短期内因行业生态未完善，无法大规模应用，但在未来绿色能源铺开后大有可为。目前阶段采用240V高压直流技术可以不用改造设备快速实现节能，IT设备电源微调即使可以接近市电主供高压直流后备100%的供电效率，但双电源成本较高，且路径效率不高，所以这只是未来几年的过渡技术。随着IT设备单机架功率不断上升以及对降低能效和成本的不懈追求，未来12V母线供电不管在能耗还是在技术难度等方面都不占优势，会逐步被48V的分布式供电架构取代。48V架构还归一了IT设备、网络、空调末端、弱电监控等设备，而锂电池、燃料电池以及风能、太阳能等绿色能源的进步以及发展会加快这一进程。带电池插框的48V市电直供技术会是未来数据中心IT供电架构的重要发展方向，希望数据中心技术规划以及IT设备甚至基础设施的各设备厂家共同努力营造此生态，建造高效节能、绿色环保、弹性灵活、低成本高可靠的数据中心供电之路。
　　版权说明：本文为腾讯数据中心原创，其文字、图片等版权均属&深圳市腾讯计算机系统有限公司&所有，未经官方授权，不得使用。本站经授权转载只是用于学习、分享，不得用于出版、发行等商业行为。
　　责任编辑：Mary
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