揭秘：48V系統如何撬動(dòng)汽車(chē)收益杠桿

48V電源系統介紹

目前國內汽車(chē)行業(yè)對于整車(chē)低壓48V電源系統有很大的熱情， 48V并不是一個(gè)全新的技術(shù)，在過(guò)去幾年無(wú)論是燃油車(chē)還是新能源車(chē)都有使用48V作為輔助電源，以下我們對整車(chē)12V及48V電源系統做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

傳統燃油車(chē)以12V作為主要的低壓電源系統，為了降低碳排放，在原來(lái)12V系統上增加了一套48V電源系統驅動(dòng)電機，提供輔助的動(dòng)力輸出，就是我們的輕混車(chē)系統，但是這套系統增加了一定的成本。

純電車(chē)也以12V作為主要的電源系統，但是隨著(zhù)整車(chē)功能越來(lái)越豐富，有些純電車(chē)增加了一套單獨的48V電源系統，給一些大功率的負載（例如電子防傾桿，主動(dòng)懸架等）提供電能。這些功能大大提升了終端用戶(hù)的使用體驗，但是同樣帶來(lái)了整車(chē)系統成本的上升。

隨著(zhù)整車(chē)功能越來(lái)越復雜，電壓系統的功率需求越來(lái)越大，為了降低大功率低壓系統的成本，一些主機廠(chǎng)提出了整車(chē)低壓系統從12V升級到48V。但是目前由于48V的供應鏈還沒(méi)有完全成熟，不得不保留一部分的12V系統，當前國內主機廠(chǎng)主要研究的是12V和48V混合的電源架構。

48V收益分析

48V電源系統相比于12V系統電壓上升了4倍，根據簡(jiǎn)單的P=UI公式，對于相同功率的應用電流將變?yōu)樵瓉?lái)的1/4。整車(chē)工作電流的降低為整車(chē)帶來(lái)很多收益，以下內容將從電流減小后帶來(lái)的收益進(jìn)行討論。整車(chē)成本的變化是一個(gè)系統性的話(huà)題，本文只是從48V系統產(chǎn)生的收益方面進(jìn)行分析，整車(chē)采用48V后還存在很多挑戰，并不能從本文評估出48V系統的整車(chē)成本的變化。

降低線(xiàn)束成本

整車(chē)的線(xiàn)束線(xiàn)徑是根據其通過(guò)的電流來(lái)決定的，電流越大需要使用越粗的線(xiàn)束。以1kW應用為例進(jìn)行分析，12V系統線(xiàn)束上會(huì )流過(guò)83.3A的電流，需要大約10mm2的線(xiàn)束；48V系統線(xiàn)束上流過(guò)20.8A的電流即可，對應需要大約1.5mm2的線(xiàn)束。因為使用了更細的線(xiàn)束，線(xiàn)束成本將會(huì )大大減少。我們以銅價(jià)來(lái)簡(jiǎn)單估算一下10米線(xiàn)束的成本變化：

• 10mm2的線(xiàn)束中銅的重量按照89.6g/m來(lái)估算，那么10米線(xiàn)束中銅的重量為896g，

• 1.5mm2的線(xiàn)束中銅的重量按照13.44g/m來(lái)估算，那么10米線(xiàn)束中銅的重量為134g。

按照0.075元/克銅價(jià)估計，48V相對于12V來(lái)說(shuō)10米線(xiàn)束將節省85%（57.15元）的成本。

如果考慮整車(chē)最小線(xiàn)徑的限制，通過(guò)計算整車(chē)不同功率的線(xiàn)束長(cháng)度，即可估算出整車(chē)改為48V后所有線(xiàn)束節省的成本。

更低的功率損耗

CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle）續航里程測試標準的平均車(chē)速為28.96km/h，假如某車(chē)的CLTC續航里程為700km，整個(gè)CLTC續航里程的測試時(shí)間為24小時(shí)，那么車(chē)輛行駛時(shí)的功率損耗每減少41W（1kWh/24h），相同的CLTC續航里程，整車(chē)動(dòng)力電池就可以減少1度。降低整車(chē)的功率損耗不僅可以簡(jiǎn)化熱設計，減少碳排放，增加續航里程，還可以降低整車(chē)動(dòng)力電池成本。

48V系統可以降低整車(chē)功率損耗也主要是因為電流的明顯減少。還是以1kW應用為例，對10米線(xiàn)束上的功率損耗進(jìn)行分析：

• 10mm2線(xiàn)束的線(xiàn)阻為1.82mΩ/m，流過(guò)83.3A電流，10米線(xiàn)束產(chǎn)生的功率損耗達到126W；

• 1.5mm2線(xiàn)束的線(xiàn)阻為12.7mΩ/m，流過(guò)20.8A電流，10米線(xiàn)束產(chǎn)生的功率損耗達到55W；

1kW應用的10米線(xiàn)束，線(xiàn)上的功率損耗可以降低56%（減少71W），對應的動(dòng)力電池可以減少1.73度。如果48V使用更粗的線(xiàn)束，雖然會(huì )增加一些線(xiàn)束成本，但是可以增加續航里程或者減少動(dòng)力電池成本。具體如何平衡線(xiàn)束成本和功率損耗，需要做更詳細的數據評估。

除了減少線(xiàn)束上的功率損耗，整車(chē)所有用電設備的功率損耗都會(huì )隨著(zhù)電流的減小而有明顯的降低（P=I2R），包括MOSFET，DCDC，高邊開(kāi)關(guān)等等。

更靈活的功率器件選擇

從12V系統改為48V系統，所有和48V相關(guān)的半導體器件耐壓都要增加，半導體器件的設計和制造工藝都要升級，無(wú)疑會(huì )帶來(lái)一部分的成本上升。但是對于通過(guò)較大電流的功率器件（75W以上），相同功率條件下根據P=I2R，電流減小為原來(lái)1/4，那么可以選擇原來(lái)16倍Rdson的半導體器件。

還是以1kW應用舉例，假如12V應用中選擇Rdson低于0.15mΩ的MOSFET，那么48V同功率應用可以選擇Rdson低于2.4mΩ的MOSFET。功率器件的選擇更多，對于更大功率的應用也不需要MOSFET并聯(lián)，簡(jiǎn)化了系統的設計復雜度。如果48V系統設計中選擇更低Rdson的功率器件來(lái)減少半導體器件上的功率損耗，不僅可以增加續航里程還可以減少熱設計的復雜度。

更簡(jiǎn)單的熱設計和電流設計

功率越高汽車(chē)用電設備的熱設計越復雜。48V系統的電流減小后，對應用電設備的熱功率也變得更低，使得整車(chē)的熱設計變得更容易。原來(lái)12V大功率的用電設備必須使用金屬熱沉甚至水冷，改用48V系統后可以使用普通的塑料外殼。不僅減少了功率損耗，節省了材料成本，還可以降低整車(chē)的重量。

超過(guò)100A的大電流接插件成本很高，甚至無(wú)法找到合適的接插件，對于12V系統中超過(guò)1kW的應用需要特殊的接插件和線(xiàn)束支持，如果改為48V系統，原來(lái)100A的電流降低為25A，接插件的成本會(huì )更低，同時(shí)接插件的可選擇性會(huì )多。當然還要考慮48V接插件需要提高耐電化學(xué)腐蝕的特性，防止電弧等新的特性要求。但是總體來(lái)說(shuō)48V使得大功率的接插件選型更容易。

減輕整車(chē)重量

線(xiàn)束，接插件和散熱片的設計和使用都會(huì )影響到整車(chē)重量，而這些零件的選型和設計與其流過(guò)的電流有直接相關(guān)。隨著(zhù)48V系統的電流減少，整車(chē)的重量會(huì )有比較明顯的降低。相關(guān)研究表明，新能源汽車(chē)每減少100Kg重量，續航里程可提升10%-11%，還可以減少20%的電池成本以及20%的日常損耗成本?，F在的電動(dòng)車(chē)車(chē)重越來(lái)越大，整車(chē)輕量化同時(shí)可以簡(jiǎn)化很多線(xiàn)控底盤(pán)功能（轉向，制動(dòng)，懸架）的開(kāi)發(fā)，由此可見(jiàn)整車(chē)輕量化是未來(lái)的必然趨勢。

由前面線(xiàn)束的分析可以看出，48V電源系統可以使用更細的線(xiàn)束，意味著(zhù)整車(chē)線(xiàn)束質(zhì)量會(huì )有比較明顯的降低。1kW應用的10米線(xiàn)束，銅線(xiàn)的重量從896g降低為134g，重量減輕了85%。

更低成本的大功率功能開(kāi)發(fā)

汽車(chē)的功能越來(lái)越多，有些新功能的功率需求很大。對于大于1kW的應用，需要特殊的線(xiàn)束，接插件和散熱設計，甚至更大的功率根本無(wú)法實(shí)現。只有提高系統電壓，才可以支持更多的功能，同時(shí)大大降低大功率系統的成本。隨著(zhù)汽車(chē)品牌向上的需求，未來(lái)整車(chē)會(huì )需要更大的功率來(lái)增加車(chē)輛功能，提升品牌形象。

英飛凌的48V半導體產(chǎn)品

英飛凌針對48V的應用不僅在汽車(chē)行業(yè)，還在服務(wù)器和通信電源領(lǐng)域擁有多年的客戶(hù)應用經(jīng)驗，同時(shí)積累了豐富的48V半導體器件。隨著(zhù)整車(chē)功能的增加尤其是線(xiàn)控底盤(pán)等技術(shù)的發(fā)展，低壓系統的輸出功率要求越來(lái)越大，48V電源系統將會(huì )成為未來(lái)重要的技術(shù)方向之一。英飛凌作為汽車(chē)行業(yè)領(lǐng)先的半導體廠(chǎng)商，不僅可以為48V應用提供電源芯片，高邊開(kāi)關(guān)，Gate Driver，橋驅芯片和MOSFET等半導體器件，還可以為客戶(hù)提供48V智能配電，HV-48V DCDC，48V-12V DCDC，48V線(xiàn)控底盤(pán)控制器，48V熱管理控制器等系統級的解決方案和技術(shù)支持。英飛凌現有的48V半導體器件和Demo板可以滿(mǎn)足目前大部分的48V應用需求，并且可以支持OEM和Tier1做快速評估。

但未來(lái)的48V依然面臨許多技術(shù)挑戰：48V電壓標準不完善限制了新的48V半導體器件的開(kāi)發(fā)，尤其耐壓的標準對半導體器件影響很大，原有小功率執行器（水泵等）采用LIN通訊在48V平臺上急需低成本平替方案，48V的爬電距離不僅會(huì )影響PCB板的設計還會(huì )影響到半導體器件的封裝。從整車(chē)角度48V的電弧的檢測和抑制更加重要，同時(shí)12V和48V混合電源系統，任意一個(gè)單點(diǎn)失效不能使48V和12V短路，整車(chē)接地和走線(xiàn)也會(huì )變得更加復雜。未來(lái)英飛凌會(huì )針對這些挑戰開(kāi)發(fā)更多的48V半導體器件，推動(dòng)48V技術(shù)的發(fā)展。

（本文作者：Jaylen Fu，Andre Mourrier；文章來(lái)源：英飛凌汽車(chē)電子生態(tài)圈）