在本文中，我們將討論電動車輛和混合動力車輛對 48V 低壓軌系統(tǒng)的日益關注，以及工程師如何利用它們在實現(xiàn)新功能的同時，縮小線束尺寸并降低成本。

引言

在最近與汽車制造商的對話中，48V 低壓軌被頻繁提及。但為什么是現(xiàn)在？48V 系統(tǒng)并不是新事物。多年來，其一直在幫助提高輕度混合動力電動車輛 (MHEV) 的效率和性能。

48V 系統(tǒng)再次受到關注，可能與電池電動車輛 (BEV) 和混合動力車輛 (HEV) 的日益普及有關。通過高壓電池產生 48V 電壓的電動車輛或混合動力車輛可以實現(xiàn) 48V 系統(tǒng)的一個重要優(yōu)勢：增加 48V 低壓軌可以縮減整車供電線束的規(guī)格，并降低電源開關和電機驅動器等下游半導體元件的負載電流要求。因此，48V 系統(tǒng)可提供比 12V 系統(tǒng)更強的功率，為增加人工智能或迷你冰箱等功能提供了機會。

BEV 原始設備制造商 (OEM) 正在尋求優(yōu)化 BEV 成本、重量和續(xù)航里程的方法。從電氣角度看，通過區(qū)域架構減少線束（如德州儀器 (TI) 的白皮書《區(qū)域架構如何為完全由軟件定義的車輛鋪平道路》中所述），或者使用 48V 低壓軌進行配電，將有可能解決這三個問題。20 世紀初，在電氣/電子 (E/E) 系統(tǒng)的功率需求迫使市場轉向 12V 之前，汽車行業(yè)使用 6V 電壓軌供電。如今，功能豐富的車輛正在逼近 12V 電壓軌的極限。從 12V 轉向 48V 會帶來挑戰(zhàn)，但也將為采用 48V 低壓軌的 OEM 帶來機遇。

48V 系統(tǒng)在 MHEV 與 BEV 中的應用

20 世紀 90 年代末，人們曾經推動采用 42V E/E 系統(tǒng)。但由于缺乏高效電機，OEM 放棄了這種方法，市場轉向使用高壓起動發(fā)電機的 MHEV。因此，雖然 MHEV 是“首批” 48V 系統(tǒng)，但它們僅使用 48V 電池和小型電機來輔助 ICE，以降低油耗并提高效率。

在 MHEV 中，為 E/E 系統(tǒng)供電的主要低壓軌仍為 12V，需要在 48V 和 12V 電壓軌之間配置大型雙向轉換器，這顯著增加了成本負擔。相比之下，全混合動力車輛 (HEV)、插電式混合動力車輛 (PHEV) 和 BEV 可以使用高壓電池創(chuàng)建 48V 低壓軌，為整個 E/E 系統(tǒng)供電。

由于車型和平臺有限，未來的 BEV 平臺成為了 OEM 部署 48V 汽車系統(tǒng)的主要目標。向電動車輛的過渡也增加了對 HEV 和 PHEV 的投資。圖 1 概述了不同車輛類型之間的差異。

圖 1：車輛動力總成類型概述

減少線束

減少線束的首次重大嘗試是引入區(qū)域架構，如圖 2 中所示，該架構根據位置而不是功能對配電、通信和負載驅動進行分組，從而優(yōu)化車輛布線。區(qū)域架構通過使用智能半導體保險絲替代傳統(tǒng)的熔斷式保險絲來進行配電，并充當從中央計算機到傳感器、執(zhí)行器和電子控制單元 (ECU) 的通信網關，從而減少了車輛布線。

圖 2：第一代區(qū)域架構

在下一代區(qū)域架構中加入 48V 低壓軌可進一步減輕線束重量，并降低成本。48V 電壓軌可縮減線纜規(guī)格，減少線束中的功率損耗，還可能減小印刷電路板 (PCB) 的尺寸，因為在提供相同功率的情況下，電流將降低（例如，在 12V 下需要 100% 的電流，相比之下，在 48V 下僅需 25% 的電流）。圖 3 說明了從 12V 轉換到 48V 的優(yōu)勢。

圖 3：從 12V 到 48V 使得線束減少

在圖 3 中，區(qū)域控制模塊需要 100A 才能在 12V 電壓下提供 1,200W 功率。相比之下，48V 電壓軌僅需 25A 就能提供 1,200W 的功率。通過將電壓提升至四倍，并將電流降低四分之一，可將線束成本和重量降低 85%。對于窗口電機，12V 下的 20A 電流將變?yōu)?48V 下的 5A 電流，這將節(jié)省 60% 的成本并減少 52% 的線材重量。隨著負載電流要求的降低，轉向 48V 所帶來的線束優(yōu)勢也會相應減少。

盡管轉向 48V 的主要好處是縮減線纜規(guī)格，但線纜成本并非唯一因素。如今，在車輛上安裝美國線纜規(guī)格 (AWG) 4 號等粗規(guī)格線纜需要投入大量勞動力。通過縮減 48V 系統(tǒng)中的線纜規(guī)格，將使采用自動化制造流程安裝線束成為可能，從而顯著降低成本。

48V 架構

在為 48V 架構優(yōu)化線束時，OEM 需要評估不同的架構。圖 4 至圖 6 展示了實現(xiàn) 48V 低壓軌時的三種選項：48V 主配電和 12V 本地配電、48V 配電和 12V 配電，或僅 12V 配電和 48V 高電流負載。

圖 4：48V 架構（48V 主配電，12V 本地配電）

圖 5：48V 和 12V 配電 — ZCM 48V 和 12V

圖 6：12V 主配電，48V 高電流負載

對于 48V 設計，破壞性最小的方法是使用 48V 電壓軌為高電流負載供電，并將其他所有負載維持在 12V。48V 和 12V 可分配給區(qū)域控制模塊或其他 ECU，但這種方法會帶來一些挑戰(zhàn)。兩種不同電壓的分配使線束布線成為一個關鍵因素，因為在同一線束中布設 12V 和 48V 可能導致從 12V 到 48V 系統(tǒng)之間出現(xiàn)短路。對功能安全的考量也會增加成本，因為可能需要冗余的 12V 和 48V 電源。

更激進的設計變更是直接采用 48V 配電架構，并根據需要在本地生成 12V 軌。帶有本地 12V 電壓的 48V 配電是一種最佳架構，能夠實現(xiàn)轉換至 48V 的全部優(yōu)勢，因為它最大限度地減少了線束尺寸和成本。

在帶有本地 12V 電壓的 48V 配電中，有許多不同的選項，可用于在 ECU 上形成本地 12V 電壓軌，或用于選擇完全不同的電壓（25V、16V、5V、3.3V）。圖 7 為 48V 系統(tǒng)提供了兩種可能的電源架構：分布式 12V 和集中式 12V。

圖 7：在 ECU 處進行的從 48V 向其他電壓的轉換

在分布式架構中，多個功率要求較低的 DC/DC 轉換器可為不同的負載組生成 12V 電壓軌。這種方法可以使用集成了金屬氧化物半導體場效應晶體管的 DC/DC 轉換器，還可以自由選擇電壓（如 48V 至 3.3V），并改善 PCB 上的熱分布。如果 OEM 希望重復使用現(xiàn)有的 12V 設計，集中式 12V 電壓軌是更容易實現(xiàn)的方案。在此架構中，一個始終開啟的 DC/DC 轉換器為功能安全關鍵負載供電，而另一個對功率要求較高的 DC/DC 轉換器則為 12V 系統(tǒng)的其余部分供電。另一種選項是使用雙向 48V 至 12V DC/DC 轉換器，讓電機的反電動勢或 12V 電壓軌的正瞬變電壓能量流回 48V 電源軌。

48V 系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)

采用 48V 低壓軌時，面臨的設計挑戰(zhàn)包括瞬變電壓、爬電距離和電氣間隙要求、電磁兼容性 (EMC) 標準，以及集成電路 (IC) 成本。

瞬變電壓是 48V 系統(tǒng)中的主要討論話題。如今，12V 系統(tǒng)已經廣為人知，國際標準化組織 (ISO) 16750-2 等標準規(guī)定了最嚴苛工況（如負載突降）下的電壓瞬變曲線。而對于 48V 系統(tǒng)，現(xiàn)行標準（ISO 21780 和 Liefervorschriften [LV] 148）是專門針對要求過電壓點高達 70V 的 MHEV 制定的。但是，如果考慮到開關瞬變或元件裕量，元件額定電壓將遠高于 70V。

MHEV 標準雖然可以用作起點，但對于不使用大功率起動發(fā)電機系統(tǒng)，而是通過高壓電池生成 48V 電壓的電動或混合動力系統(tǒng)而言，這些標準不一定適用。有關 BEV 48V 低電壓網的具體標準仍在制定中，但 OEM 可能會開始制定自有標準，以將線路瞬變電壓控制在 70V 以下。圖 8 將潛在的 BEV 標準與現(xiàn)有的 ISO 21780 標準進行了比較。

圖 8：潛在 BEV 標準和 ISO 21780 的瞬變電壓對比

雖然 60V 和 70V 之間的差異看似微小，但適應更高電壓的 IC 成本并不一定呈線性增長。此外，即使有可能限制電源電壓范圍，但仍然必須考慮可能發(fā)生的線束故障模式事件，而現(xiàn)行標準（如 ISO 7637-2）已對此進行了規(guī)范。

爬電距離與電氣間隙要求是指根據行業(yè)標準，對 PCB 上所有導電部件之間最短距離的測量。當兩點之間的電壓超過擊穿電壓時，會產生電弧，而爬電距離與電氣間隙是防止電弧的關鍵設計參數。存在多種不同的爬電距離與電氣間隙標準（國際電工委員會 60664-1 與印制電路協(xié)會 2221A），而 OEM 甚至可能有自己的內部指導。從 12V 升級到 48V 將提升爬電距離與電氣間隙要求，直接影響 IC 封裝、PCB 布局，以及線束連接器等。

48V 系統(tǒng)的一個更細微影響是，雖然有助于減少傳導損耗，但開關損耗會增加。這一點在針對開關電源轉換器（如 DC/DC 轉換器和電機驅動器）的 EMC 測試中將產生重要影響。將電壓 (VDS) 從 12V 提高到 48V 可以降低電流 (IDS)。但是，如果 48V 系統(tǒng)中的轉換率 (tR + tF) 仍與 12V 系統(tǒng)相同，那么功率開關損耗 (PSW) 將變?yōu)樗谋丁?/p>

雖然還有更多的因素會影響開關損耗，但圖 9 說明了在 48V 系統(tǒng)中，轉換率如何影響開關損耗。

圖 9：開關損耗對 EMC 的影響

結語

48V 系統(tǒng)可以縮減線束的重量和規(guī)格，從而節(jié)省線材的實際銅成本和制造成本。無論是在 IC 級別還是系統(tǒng)級別，采用 48V 都會帶來許多優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，從而以某種方式影響成本。OEM 將決定集成 48V 系統(tǒng)的時機和方式，以最大限度地提高優(yōu)勢并降低成本。最近的車輛創(chuàng)新證明了，市場和半導體供應商已經為 48V 系統(tǒng)做好了準備。