現(xiàn)在的形勢是，其他汽車制造商跟著特斯拉做。向 48V 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變已經(jīng)拉開序幕。采用 48V 電源系統(tǒng)，可以大幅降低車輛線束為大功率子系統(tǒng)供電所需的電流大小，從而允許使用更輕、更細(xì)、更便宜的電線。

今天，在提高內(nèi)燃機(jī)和輕混合動(dòng)力車輛的效率及性能方面，48V 電源系統(tǒng)已經(jīng)開始發(fā)揮作用，但它們將成為未來電動(dòng)汽車的必備技術(shù)。

閱讀本文，您將了解：

-汽車制造商最終為什么從 12V 遷移到 48V 汽車附件電源系統(tǒng)。

-汽車制造商及其供應(yīng)商必須克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。

-48V 汽車電源系統(tǒng)的架構(gòu)選擇和需要遵守的標(biāo)準(zhǔn)。

12V 汽車電源系統(tǒng)已經(jīng)主導(dǎo)汽車行業(yè) 70 多年，但它已經(jīng)開始讓位于48V系統(tǒng)。高功率版本可帶來許多優(yōu)勢，包括使用更細(xì)、更輕、成本更低的線束提供更大的功率。這樣的系統(tǒng)也相對便宜，因?yàn)樗鼈儾恍枰獫M足所謂的高壓系統(tǒng)（額定電壓超過 62V）的更嚴(yán)格的安全和性能要求。

盡管有這些長期優(yōu)勢，但從短期內(nèi)看，改造車輛、生產(chǎn)線和支持它們的供應(yīng)鏈，需要投入大量精力和投資。這些因素延遲了 48V 電源系統(tǒng)的廣泛普及，導(dǎo)致該技術(shù)目前只用于少數(shù)產(chǎn)品。

然而最近，由于越來越多的耗電子系統(tǒng)（如主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）的采用，以及制造商減輕重量和降低成本的壓力，汽車制造商已經(jīng)開始越來越多地采用 48V。市場上的電動(dòng)汽車（EV）越來越多，它們依賴電源系統(tǒng)來完成各種操作，因此采用 48V 電源系統(tǒng)的更多優(yōu)勢開始顯現(xiàn)。

幸運(yùn)的是，有幾種架構(gòu)支持在同一輛汽車中同時(shí)使用 12V 和 48V 電源系統(tǒng)。1它們允許在需要的地方使用現(xiàn)有的“傳統(tǒng)”電子設(shè)備，使過渡變得更加容易。

在本文中，我們將探討一些技術(shù)問題。在將下一代卡車、轎車和其它車輛過渡到 48V 系統(tǒng)的過程中，設(shè)計(jì)師將面臨并需要克服這些問題。

緩慢的出現(xiàn)

48V 汽車電源系統(tǒng)面世已有很長時(shí)間，主要用于驅(qū)動(dòng)越野車和其它專用車輛中的大型泵和執(zhí)行器。過去十年左右，它的身影開始出現(xiàn)在乘用車和工作車輛中，用于降低驅(qū)動(dòng)電動(dòng)增壓器、主動(dòng)懸架系統(tǒng)和其它耗電功能所需的電流。

最近，提高燃油經(jīng)濟(jì)性的監(jiān)管壓力不斷增加，促使制造商使用 48V 系統(tǒng)來減輕車輛內(nèi)燃機(jī)的直接負(fù)載。這通過其它高功率輔助功能的電氣化來實(shí)現(xiàn)，例如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、空調(diào)和冷卻泵。

至少在理論上，遷移到 48V 附件母線也提供了一種經(jīng)濟(jì)的方式，以生產(chǎn)被稱作“輕混動(dòng)力”汽車的過渡產(chǎn)品。輕混合動(dòng)力汽車使用一個(gè)相對較小的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，輔以一個(gè) 48V 的電機(jī)，可以在加速和再生制動(dòng)過程中提供額外的扭矩，并在車輛滑行或等紅燈時(shí)支持自動(dòng)啟停功能。

輕混合動(dòng)力汽車的輔助功能相對較弱，因此效率提升遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及全混動(dòng)力汽車。然而，它們可以輕松集成到現(xiàn)有的燃油車設(shè)計(jì)中，而且生產(chǎn)成本的增加通常不到 1000 美元。

雖然輕混動(dòng)力汽車幫助增加了對 48V 部件的需求，但預(yù)計(jì)它們將在即將面世的新一代電動(dòng)汽車中發(fā)揮更大作用，因?yàn)檫@些汽車必須用電驅(qū)動(dòng)所有輔助功能。這包括電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和制動(dòng)、主動(dòng)懸架、冷卻泵和空調(diào)壓縮機(jī)，其中任何一個(gè)的峰值負(fù)載都可能達(dá)到數(shù)千瓦。

過渡到 48V 電源系統(tǒng)，可以大大降低汽車線束為大功率子系統(tǒng)供電所需的電流大小，因此允許使用更輕、更細(xì)、更便宜的電線。例如，通過 12 英尺的線束輸送 950W 的 12V 電力（79A）需要一根 4AWG 的電線，重量大約為 2kg（4.1 磅）。相比之下，使用 48V 電源為同樣的 950W 負(fù)載供電，可以使用 10AWG 的電線，重量僅為 0.24kg（0.5 磅多），重量減輕了 85%（圖 2）。

圖 1：過渡到 48V 系統(tǒng)，可以使用更輕、成本更低的線束，減少導(dǎo)致電阻加熱的電能損耗。

除了減輕重量和節(jié)省成本，過渡到 48V 電源系統(tǒng)還可以顯著降低電阻損耗，而這可能直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。再看看前面的例子，我們發(fā)現(xiàn)切換到更高的電壓（更小的電流），可以將線束的電阻損耗從 40W 降低到只有 5.8W。乘以一般電動(dòng)汽車中使用的大功率子系統(tǒng)的數(shù)量，可以將車輛的重量減輕 100 到 150 磅，同時(shí)大幅度減少電阻損耗，使續(xù)航里程增加約 10 千米。

向 48V 系統(tǒng)的漸進(jìn)式過渡

到目前為止，從即將推出的 CyberTruck 開始，特斯拉似乎是唯一一家完全采用 48V 電源的汽車制造商。接下來，公司將進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)修改，在幾款現(xiàn)有車型中停用 12V 母線。據(jù)報(bào)道，除了前面提到的優(yōu)勢之外，特斯拉已經(jīng)組建了自己的“秘密”附件團(tuán)隊(duì)，專門開發(fā)面向 48V 架構(gòu)的產(chǎn)品，如照明、絞盤和空氣壓縮機(jī)。2

然而，修改設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線和供應(yīng)鏈會(huì)產(chǎn)生很高的成本；大多數(shù)其他汽車制造商將不得不將這些成本分?jǐn)偟礁L時(shí)間內(nèi)。

在預(yù)期的 10 到 15 年的 48V 電源系統(tǒng)過渡期間，許多車輛將繼續(xù)使用現(xiàn)有的 12V 附件和子系統(tǒng)。這些附件和子系統(tǒng)工作良好，而且立即進(jìn)行改造的成本太高。這可以通過在整個(gè)汽車中繼續(xù)使用傳統(tǒng)的 12V 線束來實(shí)現(xiàn)。

然而，更實(shí)用的方法是實(shí)施分布式供電架構(gòu)，例如 Vicor 開發(fā)的供電架構(gòu)（圖 2）。在分布式系統(tǒng)中，車輛的 48V 電源來自汽車的 400/800V 主電池，然后輸送到靠近負(fù)載點(diǎn)的 12V 電源轉(zhuǎn)換器。制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和其它 ASIL D 關(guān)鍵安全功能的冗余電源可以通過兩個(gè)或更多獨(dú)立、相互隔離的電壓轉(zhuǎn)換器來提供。3

圖 2：分布式 48V 配電系統(tǒng)幫助在負(fù)載點(diǎn)附近輕松而經(jīng)濟(jì)地為“傳統(tǒng)”系統(tǒng)提供 12V 電源。

過渡到 48V 電源架構(gòu)還引出了一個(gè)問題，即 48V 電源從哪里來。在特斯拉的例子中，公司選擇通過一個(gè)獨(dú)立的小型鋰離子輔助電池來為 48V 母線供電——該電池通過汽車的主電池組充電。

另外，一些制造商可能會(huì)選擇創(chuàng)建一個(gè)“虛擬”電池，消除對單獨(dú)的 48V 電池的需要。該虛擬電池由低阻抗轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器和小型存儲(chǔ)設(shè)備（如超級(jí)電容器）組成。這將為門鎖及在主電池?cái)嚅_時(shí)必須保持開啟狀態(tài)的其它系統(tǒng)提供持續(xù)電源。

開始

特定制造商向 48V 過渡的細(xì)節(jié)將各不相同，具體取決于他們的產(chǎn)品、技術(shù)成熟度和所服務(wù)客戶的需求。但是，開始這一旅程的幾乎任何人都可以受益于與他們將使用的技術(shù)相關(guān)的基本標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)實(shí)踐。這包括：

對于配備以 48VDC 的額定電壓運(yùn)行的電氣系統(tǒng)的道路車輛，ISO 217804 規(guī)定了所使用的電氣和電子元件的要求及測試。這包括 48VDC 電氣系統(tǒng)的一般要求、電壓范圍、慢速電壓瞬變和波動(dòng)（不包括 EMC）。

VDA 建議 3205 由 ZVEI-德國電氣和電子制造商協(xié)會(huì)發(fā)布和維護(hù)。它涵蓋了汽車電氣和電子元件的一系列規(guī)范和測試要求，用于開發(fā) 48V 電源。ZVEI 的文件《48V 電氣系統(tǒng)-鋪平電動(dòng)出行之路的關(guān)鍵技術(shù)》6 提供了有關(guān) VDA 320 提出的要求及其實(shí)施情況的實(shí)用見解。

參考文獻(xiàn)

使用汽車 400V 電池提供 12V 電源，3.6kW DC-DC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)，德州儀器。

《為什么說特斯拉向 48V 電源架構(gòu)的轉(zhuǎn)變將改變行業(yè)游戲規(guī)則》，Tim James，The Driven，2023 年 3 月 20 日。

ASIL D 安全概念評估的高速牽引，雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)，德州儀器。

《ISO 21780:2020 - 道路車輛 - 48V 供電電壓 - 電氣要求和測試》，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，2020年。

《VDA 320：汽車中48V車載電源系統(tǒng)的電氣和電子元件要求及測試》，德國電氣和電子制造商協(xié)會(huì)，2016年。

《48V 電源系統(tǒng)-鋪平電動(dòng)出行之路的關(guān)鍵技術(shù)》，德國電氣和電子制造商協(xié)會(huì)，2016 年。

本文最初由 Electronic Design 發(fā)表。