用于車(chē)輛48V電源系統的參考案例

從 12 V 系統轉向 48 V 系統將通過(guò)更細、更輕的電纜減輕車(chē)輛重量。權衡包括更嚴格的安全要求。

隨著(zhù)車(chē)輛集成高級駕駛輔助系統 （ADAS）、車(chē)聯(lián)網(wǎng) （V2X） 通信和電動(dòng)渦輪增壓等高級功能，傳統 12 V 系統的局限性越來(lái)越明顯。為了滿(mǎn)足這些和其他高耗電應用的需求，48 V 電源系統應運而生，因為它們有望提供現代汽車(chē)架構所需的可擴展性、效率和可靠性。

從 12 V 升級到 48 V 將功能提高了四倍，從而實(shí)現了更細的布線(xiàn)和更輕的連接器，同時(shí)顯著(zhù)降低了成本。雖然更細的電線(xiàn)并不比 12 V 的電線(xiàn)便宜四倍，但銅的減少可以節省大量成本并簡(jiǎn)化制造。這種轉變還降低了熱管理挑戰，因為 12 V 系統中較高的電流會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的熱量，使設計復雜化并降低性能。

此外，48 V 系統優(yōu)化了再生制動(dòng)，從而改善了能量回收并提高了傳動(dòng)系統的效率。通過(guò)解決長(cháng)期存在的配電瓶頸，48 V 系統為可擴展、著(zhù)眼于未來(lái)的平臺鋪平了道路，為迎接電氣化時(shí)代做好準備。

比較 12 V 和 48 V 系統

以下是升級到 48 V 系統前景的一個(gè)令人信服的論據（圖 1）。在 12 V 系統中提供 1 kW 的功率大約需要 83 A，而在 48 V 系統中大約需要 21 A。將 12 V 轉換為 48 V 還允許使用更細、更輕的電線(xiàn)，從而使單個(gè)大電流電力電纜的重量減輕高達 85%。這些節省顯著(zhù)減輕了車(chē)輛重量，提高了整體系統效率，尤其是在大規格布線(xiàn)占主導地位的應用中。

圖 1.48 V 電源系統的核心組件包括一些 12 V 組件。

48 V 系統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效率。相比之下，12 V 系統中的大電流會(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 系統通常依靠散熱器和強制冷卻來(lái)管理更高的電流路徑，但由于散熱需求降低，48 V 系統允許使用更小的冷卻解決方案，例如局部導熱墊。

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

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

分區架構和 48 V 系統

區域架構與 48 V 系統配對的分散式方法簡(jiǎn)化了布線(xiàn)復雜性，提高了車(chē)輛設計的靈活性（圖 2）。通過(guò)將控制權分配給本地化區域控制器，與傳統的集中式平臺相比，區域配置顯著(zhù)縮短了布線(xiàn)長(cháng)度。

圖 2.在區域架構中，本地計算機從傳感器收集數據并將數據發(fā)送到中央計算機。

在集中式架構中，后保險杠中的停車(chē)傳感器可能需要 3 米的布線(xiàn)才能到達中央控制器。使用區域控制器，這些相同的傳感器僅使用 0.5 m 的電線(xiàn)連接到附近的控制器，從而減輕了車(chē)輛重量。較短的電線(xiàn)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(xiàn)距離來(lái)減少電磁干擾 （EMI）。

48 V 系統使用更小、更輕的電纜補充區域設計，為本地化控制器提供足夠的電源。雖然區域架構帶來(lái)了挑戰，例如高級控制器和更復雜的故障隔離，但降低布線(xiàn)復雜性和車(chē)輛重量的好處超過(guò)了這些權衡。表 1 總結了工程師在設計區域架構與集中式架構時(shí)的權衡，強調了布線(xiàn)復雜性、模塊化和 EMI 管理。

權衡比較：區域架構與集中式架構

48 V 系統中的安全、EMI 和測試

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

高性能連接器采用增強的間距和先進(jìn)的材料，可防止泄漏，以解決電弧風(fēng)險，有助于在苛刻的汽車(chē)條件下提供可靠性。例如，電動(dòng)汽車(chē)電池模塊中的緊湊型連接器設計使用聚苯硫醚 （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 系統的電壓較低，因此對絕緣和間距標準的要求較低，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 系統的降壓轉換器中至關(guān)重要。使用安全級電容器強調了適當的隔離，這些電容器提供電壓隔離并在 EMI 濾波中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。例如，特定的 48 V 至 12 V 降壓轉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敏感組件，特別是對于容易受到干擾的 ADAS 和 V2X 系統。在 12 V 系統中，EMI 問(wèn)題主要局限于大電流路徑，而 48 V 系統由于高頻通信線(xiàn)路的敏感性增加，因此需要更全面的屏蔽策略。區域設計中較短的布線(xiàn)長(cháng)度本身就降低了 EMI 風(fēng)險，但需要小心接地以避免信號衰減。

測試 48 V 系統的工程師通常依靠隔離測試儀、熱成像來(lái)檢測熱點(diǎn)，以及使用混合電壓診斷工具來(lái)量化系統可靠性。一個(gè)常見(jiàn)的挑戰是驗證連接 12 V 和 48 V 系統的降壓轉換器，其中隔離不當會(huì )導致意外故障或 EMI 傳播。

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

48 V 設計的可靠性和標準化

48 V 系統的安全性和可靠性取決于對設計標準和先進(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定性。爬電距離和電氣間隙標準（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)險降至最低。

OEM 和供應商之間的標準化簡(jiǎn)化了系統集成。引腳尺寸、外殼設計和材料規格的電壓特定規則可確保兼容性。具有鍵控設計、獨特外殼和精確顏色編碼（例如，中壓系統的淺藍色）的高性能連接器可防止裝配錯誤并提高 OEM 的系統可靠性。這些保護措施即使在高振動(dòng)環(huán)境中也能支持可靠運行。

可靠性還取決于堅固的設計。機械鍵控、抗電弧材料和嚴格的測試協(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計耐用的 48 V 系統，在車(chē)輛的整個(gè)生命周期內保持安全性和效率。

驅動(dòng)未來(lái)

向 48 V 系統的過(guò)渡代表了汽車(chē)設計的重大轉變。它提供了一個(gè)可擴展的框架，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的電力需求，并為未來(lái)的創(chuàng )新奠定基礎。轉向模塊化設計的工程師可以無(wú)縫集成自動(dòng)駕駛系統和高級 V2X 通信等技術(shù)，為下一代移動(dòng)出行做好準備。

隨著(zhù) 48 V 的加速采用，充電基礎設施、區域設計和模塊化電源系統的進(jìn)步將定義下一波功能豐富的汽車(chē)。今天采用這些架構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，確保他們的設計滿(mǎn)足未來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域的需求。