天天说的48V汽车系统，到底是个啥？
最新更新时间：2024-10-31
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这几年，越来越多汽车OEM和Tier1推出12V/48V双电池汽车系统设计的轻混合动力汽车 （MHEV）及方案 ，而自从特斯拉高调宣布，Cybertruck和特斯拉将来推出的所有平台都将采用48V，更是为48V系统“添了一把柴”，12V退出历史舞台的脚步加快了。
付斌｜作者
汽车开发圈｜出品
第一部分：为什么是48V？
如今，12V已面临过多限制，许多汽车OEM都将48V视作最为合理的发展目标，因为这一电压能够达成一种理想的平衡。
一是功率损耗更低，效率更高，提高能源利用率，有利于简化汽车组件散热设计，降低成本。根据欧姆定律P=I²R，理论上，在48V架构中，由于电流是12V架构的四分之一，所以电力传输系统中电阻导致的各种功率损耗都可以降低到原来的十六分之一。
二是产品/线束更轻，成本降低，并且有利于整车减重，提高电车续航。根据电功率公式P=V·I和 PLOSS = I2R，电压加倍意味着设备可以用一半的电流获得相同的功率，电流降低意味着可以使用规模更小的导线、端子和连接器，这些因素都能减轻重量并降低成本。
三是48V远低于60V这一防范电击危险所要求公认限值，48V电池的充电电压最高56V，已经很接近60V，即48V电池电压是安全电压下的最高电压等级了。
四是48V电网还能在车联网 (V2X) 和 ADAS 方面使系统为未来应用做好准备（负载点控制）。
48V系统由BSG（发动机皮带驱动的电机）+48V 电池+DC/DC三大部分组成。值得注意的是，48V轻混系统并不是完全替代了传统的12V电气系统，而是保留了此前的 12V系统，这样可以最大程度的兼容原有系统，节约大量的研发成本。48V系统对工作温度和软件的匹配标定等方面都有着较为苛刻的要求。
第二部分：48V系统设计难题
既然48V这么万能，为什么汽车行业切换起来这么费劲？实际上，这会牵扯到许多设计方面的问题。同时，48V系统对工作温度和软件的匹配标定等方面都有着较为苛刻的要求。
电弧防护
电弧风险受电压水平及端子间距影响，温度可达2800～19000°C。12V电路中，电弧一般会快速熄灭，但在48V下，电弧可能持续，损坏端子和连接器。
目前尚不确定，用于48V系统的12V刀片式保险丝能否提供足够的电弧防护。而且，由于48V系统所需的继电器触点距离将大于12V系统所需的，因此需要重新设计保险丝和继电器。由于这些组件的要求都可通过采用半导体器件轻松满足，所以这些问题很可能通过电子方案来解决。也就是说，更多eFuse方案会被采纳。
电压
架构不断发生变化
目前很难跨越到全48V系统，因此市面大部分方案并没有完全替代传统12V电气系统，而是保留了此前的12V系统，这样可以最大程度的兼容原有系统，节约大量的研发成本，所以设备很有可能是12V系统和48V系统并存，因此整个的电源架构可能在未来每个时期都会有所不同。
EMI要求更高了
在48V下，尽管输出功率相同，但较低负载电流减少了传导（差分）发射，因此开关波形（EMI 的第二主要来源）成了关注重点。较大的开关波形振幅会增加EMI，开关节点的噪声辐射也会因大面积铜区（如电感器）而加剧，尤其在48V输入电压下更为明显。
因此，在选择48V应用的电源稳压器时，必须评估高输入电压对EMI的影响，并选用具有 EMI缓解功能的稳压器，以降低额外的噪声。即便使用低噪声稳压器，设计时仍需遵循低噪声PCB布局原则，选用合适的EMC元件，并以系统化的方法进行设计。设计低噪声电源转换器的最佳步骤是先参考数据表和评估板示例进行仿真。
具有相同负载条件的24V和48V输入的LM5164-Q1 EMI性能，图源｜TI
BMS控制更谨慎了
48V电池系统由锂离子电池构成，相较于铅酸电池，需要更多注意和处理。鉴于此，48V汽车需要电池管理系统（BMS）负责监控电池电压和电池温度，以便能够安全地为电池充电。由于48V系统具有再生能力，这种情况也变得更为复杂。当汽车电池的剩余电量足够低时，可发出再生指令，但是对BMS的控制需要非常谨慎，这对于防止过充或过热至关重要。
端子接触及锁定
避免使用有间歇接触或微动腐蚀的端子，否则会形成微电弧，损坏端子材料，增大电阻。采用有效的端子二次锁定，防止端子退出（TPO）导致间歇性断电及电弧形成。维修48V连接器前，务必断电，以免断开时形成高温电弧。
爬电距离和电气间隙
爬电距离是沿绝缘材料表面的最短距离，电气间隙是导体间空气中的最短距离。使用IEC 60664-1规范确定爬电距离和电气间隙。传统汽车连接器大多满足电气间隙要求，但部分需设计调整以满足爬电距离。
爬电距离和电气间隙，图源｜APTIV
电压隔离
在混合电压系统中，需避免电流从48V流向12V，因此最佳方式是隔离不同电压的电路，或在连接器内进行物理分区。同时在布线时，尽量分开布置48V和12V电路，并为易受损部位的48V电线提供额外保护。避免使用相同的接地螺栓，以防电流通过共享连接跨电压流动。
密封要求
48V连接器意外接触到盐水等电解液，产生的电化学腐蚀反应对端子的侵蚀比12V情况下更严重，所以必须保持密封足够严密。
配套产业链都要更换
从12V提高到48V后， 零部件、接插件、开关等的耐压要提高；为了兼容12V的硬件，还需增加48V转12V的直流变压器；由于电压升高了，触点更容易产生电弧，所以采通常需要采用电子继电器来代替传统的电磁继电器或者电子保险丝；甚至为了安全着想，48V连接器也通常采纳浅蓝色的颜色编码，提示人们注意穿戴个人防护装备。
第三部分：48V设计架构上的变化
特斯拉是坚定的“48V爱好者”。特斯拉不仅表示，其CyberTruck采用全48V方案，同时将进行一系列设计修改，在几款现有车型中停用12V母线，已经组建了自己的“秘密”附件团队，专门开发面向48V架构的产品，如照明、绞盘和空气压缩机。
不过，经过拆解分析，CyberTruck将48V的连接器和包装设计成了蓝色，较好地与高压的橙色进行了区分，同时目前CyberTruck的设计与特斯拉所说有些出入，并不是所有的低压设计都采用了48V，依然保留了12V的设计。
所以，目前市场还没有真正意义上的全48V汽车系统，只是向48V系统的渐进式过渡，并且预期10到15 年许多车辆将继续使用现有的12V附件和子系统。
目前，使用比较多的48V电气系统的简化图如下图所示。由两个电源总线、一个12V电池和总线组成，用于为大多数传统汽车负载供电；一个48V电池和总线，用于为电动驱动电机和其他高功率附件供电。12V系统运行所有常规设备，包括信息娱乐系统、照明和车身电气附件，如车窗、车门、座椅等。48V系统运行电动驱动电机和任何重型负载，如 HVAC、选定的泵、转向和悬架系统，如果 ICE 使用电动涡轮增压器，则使用电动涡轮增压器。
两个主要电气系统连接到双向升降压DC/DC转换器，该转换器为12V和48V总线提供服务，以及一个用于操作三相同步感应驱动电机的逆变器。一些S/G是皮带驱动的，而其他制造商则将S/G放置在发动机和变速箱之间。
还有一些比较实际方法是实施一种分布式电源传输架构，比如Vicor开发的分布式系统。这种系统中，车辆的48V电源来自主要400/800V电池，然后发送到靠近负载点的12V电源转换器。通过使用两个或更多独立、隔离的电压转换器供电，可以为制动、转向和其他ASIL D安全关键功能提供冗余电源。
此外，Vicor还展示过一个很具有前瞻性方案。当前，汽车E/E架构从域控制Domian过渡到区域控制Zonal是主流，Vicor则将48V和Zonal结合在一起。
从下图来看，包含12V和48V负载，整车低压负载通过48V传输，12V电气负载通过48V进行转换。区域E/E架构配备了高性能计算单元，并通过CAN总线和汽车以太网连接，实现了更高效的负载管理和电源分配。48V PDN通过集成充电器和48V电源传递网络到电池包中，解决了400V/800V充电基础设施之间不兼容性问题。这种集成不仅减少了热量、成本和重量，还提高了系统的整体效率。
写在最后
目前，48V技术的应用还较为有限。48V系统面世已有几年，主要为轻度混合动力汽车的起动机-发电机及大功率配件（如主动悬挂和动力转向）提供动力。正如特斯拉在演示中所述，电压越高，电流越小，需要的电线也越细，从而减轻重量并节省成本。
引入48V轻度混合动力系统后，设计完成的优势显著。然而，改变传统12V供电网络（PDN）的犹豫依然存在，因为转换过程可能涉及大量测试，还可能需要符合汽车产业高安全性和高质量标准的新供应商。数据中心行业在转向48V PDN的过程中发现，这一变革的优势远远超过了转换成本。同样，对于汽车行业而言，48V轻度混合动力系统为快速推出排放更低、油耗更低、行驶里程更远的全新车辆提供了新途径。此外，它为提升性能并减少二氧化碳排放带来了全新设计选择。
那么，48V电机驱动能否彻底取代12V电机驱动？答案是否定的。TI的Karl-Heinz Steinmetz曾向EEWorld表示，高端汽车制造商全面转向48V系统可能仍需10至15年，未来一段时间内12V/48V双动力结构将会继续存在。
参考文献
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