用于車輛48V電源系統(tǒng)的參考案例

從 12 V 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向 48 V 系統(tǒng)將通過(guò)更細(xì)、更輕的電纜減輕車輛重量。權(quán)衡包括更嚴(yán)格的安全要求。

隨著車輛集成高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）、車聯(lián)網(wǎng) （V2X） 通信和電動(dòng)渦輪增壓等高級(jí)功能，傳統(tǒng) 12 V 系統(tǒng)的局限性越來(lái)越明顯。為了滿足這些和其他高耗電應(yīng)用的需求，48 V 電源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，因?yàn)樗鼈冇型峁┈F(xiàn)代汽車架構(gòu)所需的可擴(kuò)展性、效率和可靠性。

從 12 V 升級(jí)到 48 V 將功能提高了四倍，從而實(shí)現(xiàn)了更細(xì)的布線和更輕的連接器，同時(shí)顯著降低了成本。雖然更細(xì)的電線并不比 12 V 的電線便宜四倍，但銅的減少可以節(jié)省大量成本并簡(jiǎn)化制造。這種轉(zhuǎn)變還降低了熱管理挑戰(zhàn)，因?yàn)?12 V 系統(tǒng)中較高的電流會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化并降低性能。

此外，48 V 系統(tǒng)優(yōu)化了再生制動(dòng)，從而改善了能量回收并提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。通過(guò)解決長(zhǎng)期存在的配電瓶頸，48 V 系統(tǒng)為可擴(kuò)展、著眼于未來(lái)的平臺(tái)鋪平了道路，為迎接電氣化時(shí)代做好準(zhǔn)備。

比較 12 V 和 48 V 系統(tǒng)

以下是升級(jí)到 48 V 系統(tǒng)前景的一個(gè)令人信服的論據(jù)（圖 1）。在 12 V 系統(tǒng)中提供 1 kW 的功率大約需要 83 A，而在 48 V 系統(tǒng)中大約需要 21 A。將 12 V 轉(zhuǎn)換為 48 V 還允許使用更細(xì)、更輕的電線，從而使單個(gè)大電流電力電纜的重量減輕高達(dá) 85%。這些節(jié)省顯著減輕了車輛重量，提高了整體系統(tǒng)效率，尤其是在大規(guī)格布線占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中。

圖 1.48 V 電源系統(tǒng)的核心組件包括一些 12 V 組件。

48 V 系統(tǒng)中的較低電流還減少了熱量的產(chǎn)生，簡(jiǎn)化了熱管理并提高了系統(tǒng)效率。相比之下，12 V 系統(tǒng)中的大電流會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，需要更粗的電纜和額外的冷卻解決方案。雖然 12 V 系統(tǒng)通常依靠散熱器和強(qiáng)制冷卻來(lái)管理更高的電流路徑，但由于散熱需求降低，48 V 系統(tǒng)允許使用更小的冷卻解決方案，例如局部導(dǎo)熱墊。

輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （MHEV） 突出了 48 V 系統(tǒng)的實(shí)際優(yōu)勢(shì)。由 48 V 供電的啟停系統(tǒng)可以使用交流發(fā)電機(jī)作為電機(jī)更快地重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而提高效率和性能。電動(dòng)渦輪增壓器消除了傳統(tǒng)的渦輪遲滯，提供瞬時(shí)加速，而再生制動(dòng)系統(tǒng)更有效地回收能量，從而提高車輛性能。

48 V 架構(gòu)能夠支持高要求應(yīng)用，可幫助工程師在應(yīng)用方面更具創(chuàng)造力，同時(shí)使平臺(tái)面向未來(lái)并解決關(guān)鍵的電源限制問(wèn)題。

分區(qū)架構(gòu)和 48 V 系統(tǒng)

區(qū)域架構(gòu)與 48 V 系統(tǒng)配對(duì)的分散式方法簡(jiǎn)化了布線復(fù)雜性，提高了車輛設(shè)計(jì)的靈活性（圖 2）。通過(guò)將控制權(quán)分配給本地化區(qū)域控制器，與傳統(tǒng)的集中式平臺(tái)相比，區(qū)域配置顯著縮短了布線長(zhǎng)度。

圖 2.在區(qū)域架構(gòu)中，本地計(jì)算機(jī)從傳感器收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央計(jì)算機(jī)。

在集中式架構(gòu)中，后保險(xiǎn)杠中的停車傳感器可能需要 3 米的布線才能到達(dá)中央控制器。使用區(qū)域控制器，這些相同的傳感器僅使用 0.5 m 的電線連接到附近的控制器，從而減輕了車輛重量。較短的電線也占用更少的空間，從而簡(jiǎn)化了組裝。局部供電通過(guò)更短的布線距離來(lái)減少電磁干擾 （EMI）。

48 V 系統(tǒng)使用更小、更輕的電纜補(bǔ)充區(qū)域設(shè)計(jì)，為本地化控制器提供足夠的電源。雖然區(qū)域架構(gòu)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，例如高級(jí)控制器和更復(fù)雜的故障隔離，但降低布線復(fù)雜性和車輛重量的好處超過(guò)了這些權(quán)衡。表 1 總結(jié)了工程師在設(shè)計(jì)區(qū)域架構(gòu)與集中式架構(gòu)時(shí)的權(quán)衡，強(qiáng)調(diào)了布線復(fù)雜性、模塊化和 EMI 管理。

權(quán)衡比較：區(qū)域架構(gòu)與集中式架構(gòu)

48 V 系統(tǒng)中的安全、EMI 和測(cè)試

過(guò)渡到 48 V 系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)工程挑戰(zhàn)，尤其是在安全、EMI 和測(cè)試方面。在較高電壓下，電弧會(huì)成為一個(gè)重大風(fēng)險(xiǎn)，需要嚴(yán)格遵守爬電距離和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)可防止電流“蠕動(dòng)”穿過(guò)絕緣表面或在導(dǎo)電元件之間跳躍。相比之下，12 V 系統(tǒng)的電弧風(fēng)險(xiǎn)較低，但在管理大電流應(yīng)用時(shí)仍面臨挑戰(zhàn)，在這些應(yīng)用中，不正確的間距或絕緣會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱或系統(tǒng)故障。

高性能連接器采用增強(qiáng)的間距和先進(jìn)的材料，可防止泄漏，以解決電弧風(fēng)險(xiǎn)，有助于在苛刻的汽車條件下提供可靠性。例如，電動(dòng)汽車電池模塊中的緊湊型連接器設(shè)計(jì)使用聚苯硫醚 （PPS） 來(lái)保持爬電距離和間隙，同時(shí)在高振動(dòng)環(huán)境中抵抗電弧。相比之下，由于 12 V 系統(tǒng)的電壓較低，因此對(duì)絕緣和間距標(biāo)準(zhǔn)的要求較低，從而簡(jiǎn)化了制造過(guò)程，但限制了它們處理更高功率需求的能力。

隔離和安全性在連接 12 V 和 48 V 系統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器中至關(guān)重要。使用安全級(jí)電容器強(qiáng)調(diào)了適當(dāng)?shù)母綦x，這些電容器提供電壓隔離并在 EMI 濾波中起著至關(guān)重要的作用。例如，特定的 48 V 至 12 V 降壓轉(zhuǎn)換器采用隔離柵電容器，以保持安全并降低 EMI。

更高的電壓還需要更好的屏蔽以保護(hù)敏感組件，特別是對(duì)于容易受到干擾的 ADAS 和 V2X 系統(tǒng)。在 12 V 系統(tǒng)中，EMI 問(wèn)題主要局限于大電流路徑，而 48 V 系統(tǒng)由于高頻通信線路的敏感性增加，因此需要更全面的屏蔽策略。區(qū)域設(shè)計(jì)中較短的布線長(zhǎng)度本身就降低了 EMI 風(fēng)險(xiǎn)，但需要小心接地以避免信號(hào)衰減。

測(cè)試 48 V 系統(tǒng)的工程師通常依靠隔離測(cè)試儀、熱成像來(lái)檢測(cè)熱點(diǎn)，以及使用混合電壓診斷工具來(lái)量化系統(tǒng)可靠性。一個(gè)常見(jiàn)的挑戰(zhàn)是驗(yàn)證連接 12 V 和 48 V 系統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器，其中隔離不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致意外故障或 EMI 傳播。

動(dòng)態(tài)仿真軟件（Ansys、LTspice、Remcom、EMWorks 等）對(duì) 48 V 系統(tǒng)中的 EMI 行為進(jìn)行建模，幫助工程師改進(jìn)屏蔽設(shè)計(jì)。這些工具解決了高功率組件的干擾挑戰(zhàn)，確保了關(guān)鍵電子系統(tǒng)的可靠性。這些仿真工具通常對(duì)混合電壓系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下的行為進(jìn)行建模，有助于及早發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

48 V 設(shè)計(jì)的可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化

48 V 系統(tǒng)的安全性和可靠性取決于對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)材料（如聚苯硫醚 （PPS） 和液晶聚合物 （LCP））的遵守，這些材料可提供出色的絕緣和熱穩(wěn)定性。爬電距離和電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)（包括 IEC 60664-1 和 USCAR-12）保持了絕緣完整性，而先進(jìn)的材料在緊湊的高壓環(huán)境中將電弧風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

OEM 和供應(yīng)商之間的標(biāo)準(zhǔn)化簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成。引腳尺寸、外殼設(shè)計(jì)和材料規(guī)格的電壓特定規(guī)則可確保兼容性。具有鍵控設(shè)計(jì)、獨(dú)特外殼和精確顏色編碼（例如，中壓系統(tǒng)的淺藍(lán)色）的高性能連接器可防止裝配錯(cuò)誤并提高 OEM 的系統(tǒng)可靠性。這些保護(hù)措施即使在高振動(dòng)環(huán)境中也能支持可靠運(yùn)行。

可靠性還取決于堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。機(jī)械鍵控、抗電弧材料和嚴(yán)格的測(cè)試協(xié)議有助于在大電流或熱插拔等苛刻條件下提供一致的性能。這些考慮因素有助于工程師設(shè)計(jì)耐用的 48 V 系統(tǒng)，在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)保持安全性和效率。

驅(qū)動(dòng)未來(lái)

向 48 V 系統(tǒng)的過(guò)渡代表了汽車設(shè)計(jì)的重大轉(zhuǎn)變。它提供了一個(gè)可擴(kuò)展的框架，以滿足不斷增長(zhǎng)的電力需求，并為未來(lái)的創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)向模塊化設(shè)計(jì)的工程師可以無(wú)縫集成自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和高級(jí) V2X 通信等技術(shù)，為下一代移動(dòng)出行做好準(zhǔn)備。

隨著 48 V 的加速采用，充電基礎(chǔ)設(shè)施、區(qū)域設(shè)計(jì)和模塊化電源系統(tǒng)的進(jìn)步將定義下一波功能豐富的汽車。今天采用這些架構(gòu)的工程師將在電氣化、自動(dòng)駕駛和連接性方面引領(lǐng)潮流，確保他們的設(shè)計(jì)滿足未來(lái)汽車領(lǐng)域的需求。