在本文中，德州儀器將討論電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力車輛對(duì) 48V 低壓軌系統(tǒng)的日益關(guān)注，以及工程師如何利用它們?cè)趯?shí)現(xiàn)新功能的同時(shí)，縮小線束尺寸并降低成本。

引言

在最近與汽車制造商的對(duì)話中，48V 低壓軌被頻繁提及。但為什么是現(xiàn)在？48V 系統(tǒng)并不是新事物。多年來(lái)，其一直在幫助提高輕度混合動(dòng)力電動(dòng)車輛 (MHEV) 的效率和性能。

48V 系統(tǒng)再次受到關(guān)注，可能與電池電動(dòng)車輛 (BEV) 和混合動(dòng)力車輛 (HEV) 的日益普及有關(guān)。通過(guò)高壓電池產(chǎn)生 48V 電壓的電動(dòng)車輛或混合動(dòng)力車輛可以實(shí)現(xiàn) 48V 系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：增加 48V 低壓軌可以縮減整車供電線束的規(guī)格，并降低電源開(kāi)關(guān)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等下游半導(dǎo)體元件的負(fù)載電流要求。因此，48V 系統(tǒng)可提供比 12V 系統(tǒng)更強(qiáng)的功率，為增加人工智能或迷你冰箱等功能提供了機(jī)會(huì)。

BEV 原始設(shè)備制造商 (OEM) 正在尋求優(yōu)化 BEV 成本、重量和續(xù)航里程的方法。從電氣角度看，通過(guò)區(qū)域架構(gòu)減少線束，或者使用 48V 低壓軌進(jìn)行配電，將有可能解決這三個(gè)問(wèn)題。20 世紀(jì)初，在電氣/電子 (E/E) 系統(tǒng)的功率需求迫使市場(chǎng)轉(zhuǎn)向 12V 之前，汽車行業(yè)使用 6V 電壓軌供電。如今，功能豐富的車輛正在逼近 12V 電壓軌的極限。從 12V 轉(zhuǎn)向 48V 會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，但也將為采用 48V 低壓軌的 OEM 帶來(lái)機(jī)遇。

48V 系統(tǒng)在 MHEV 與 BEV 中的應(yīng)用

20 世紀(jì) 90 年代末，人們?cè)?jīng)推動(dòng)采用 42V E/E 系統(tǒng)。但由于缺乏高效電機(jī)，OEM 放棄了這種方法，市場(chǎng)轉(zhuǎn)向使用高壓起動(dòng)發(fā)電機(jī)的 MHEV。因此，雖然 MHEV 是“首批”48V 系統(tǒng)，但它們僅使用 48V 電池和小型電機(jī)來(lái)輔助 ICE，以降低油耗并提高效率。

在 MHEV 中，為 E/E 系統(tǒng)供電的主要低壓軌仍為 12V，需要在 48V 和 12V 電壓軌之間配置大型雙向轉(zhuǎn)換器，這顯著增加了成本負(fù)擔(dān)。相比之下，全混合動(dòng)力車輛 (HEV)、插電式混合動(dòng)力車輛 (PHEV) 和 BEV 可以使用高壓電池創(chuàng)建 48V 低壓軌，為整個(gè) E/E 系統(tǒng)供電。

由于車型和平臺(tái)有限，未來(lái)的 BEV 平臺(tái)成為了 OEM 部署 48V 汽車系統(tǒng)的主要目標(biāo)。向電動(dòng)車輛的過(guò)渡也增加了對(duì) HEV 和 PHEV 的投資。圖 1 概述了不同車輛類型之間的差異。

圖 1：車輛動(dòng)力總成類型概述

減少線束

減少線束的首次重大嘗試是引入?yún)^(qū)域架構(gòu)，如圖 2 中所示，該架構(gòu)根據(jù)位置而不是功能對(duì)配電、通信和負(fù)載驅(qū)動(dòng)進(jìn)行分組，從而優(yōu)化車輛布線。區(qū)域架構(gòu)通過(guò)使用智能半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲替代傳統(tǒng)的熔斷式保險(xiǎn)絲來(lái)進(jìn)行配電，并充當(dāng)從中央計(jì)算機(jī)到傳感器、執(zhí)行器和電子控制單元 (ECU) 的通信網(wǎng)關(guān)，從而減少了車輛布線。

圖 2：第一代區(qū)域架構(gòu)

在下一代區(qū)域架構(gòu)中加入 48V 低壓軌可進(jìn)一步減輕線束重量，并降低成本。48V 電壓軌可縮減線纜規(guī)格，減少線束中的功率損耗，還可能減小印刷電路板 (PCB) 的尺寸，因?yàn)樵谔峁┫嗤β实那闆r下，電流將降低（例如，在 12V 下需要 100% 的電流，相比之下，在 48V 下僅需 25% 的電流）。圖 3 說(shuō)明了從 12V 轉(zhuǎn)換到 48V 的優(yōu)勢(shì)。

圖 3：從 12V 到 48V 使得線束減少

在圖 3 中，區(qū)域控制模塊需要 100A 才能在 12V 電壓下提供 1,200W 功率。相比之下，48V 電壓軌僅需 25A 就能提供 1,200W 的功率。通過(guò)將電壓提升至四倍，并將電流降低四分之一，可將線束成本和重量降低 85%。對(duì)于窗口電機(jī)，12V 下的 20A 電流將變?yōu)?48V 下的 5A 電流，這將節(jié)省 60% 的成本并減少 52% 的線材重量。隨著負(fù)載電流要求的降低，轉(zhuǎn)向 48V 所帶來(lái)的線束優(yōu)勢(shì)也會(huì)相應(yīng)減少。

盡管轉(zhuǎn)向 48V 的主要好處是縮減線纜規(guī)格，但線纜成本并非唯一因素。如今，在車輛上安裝美國(guó)線纜規(guī)格 (AWG) 4 號(hào)等粗規(guī)格線纜需要投入大量勞動(dòng)力。通過(guò)縮減 48V 系統(tǒng)中的線纜規(guī)格，將使采用自動(dòng)化制造流程安裝線束成為可能，從而顯著降低成本。

48V 架構(gòu)

在為 48V 架構(gòu)優(yōu)化線束時(shí)，OEM 需要評(píng)估不同的架構(gòu)。圖 4 至圖 6 展示了實(shí)現(xiàn) 48V 低壓軌時(shí)的三種選項(xiàng)：48V 主配電和 12V 本地配電、48V 配電和 12V 配電，或僅 12V 配電和 48V 高電流負(fù)載。

圖 4：48V 架構(gòu)（48V 主配電，12V 本地配電）

圖 5：48V 和 12V 配電 — ZCM 48V 和 12V

圖 6：12V 主配電，48V 高電流負(fù)載

對(duì)于 48V 設(shè)計(jì)，破壞性最小的方法是使用 48V 電壓軌為高電流負(fù)載供電，并將其他所有負(fù)載維持在 12V。48V 和 12V 可分配給區(qū)域控制模塊或其他 ECU，但這種方法會(huì)帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。兩種不同電壓的分配使線束布線成為一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)樵谕痪€束中布設(shè) 12V 和 48V 可能導(dǎo)致從 12V 到 48V 系統(tǒng)之間出現(xiàn)短路。對(duì)功能安全的考量也會(huì)增加成本，因?yàn)榭赡苄枰哂嗟?12V 和 48V 電源。

更激進(jìn)的設(shè)計(jì)變更是直接采用 48V 配電架構(gòu)，并根據(jù)需要在本地生成 12V 軌。帶有本地 12V 電壓的 48V 配電是一種最佳架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換至 48V 的全部?jī)?yōu)勢(shì)，因?yàn)樗畲笙薅鹊販p少了線束尺寸和成本。

在帶有本地 12V 電壓的 48V 配電中，有許多不同的選項(xiàng)，可用于在 ECU 上形成本地 12V 電壓軌，或用于選擇完全不同的電壓（25V、16V、5V、3.3V）。圖 7 為 48V 系統(tǒng)提供了兩種可能的電源架構(gòu)：分布式 12V 和集中式 12V。

圖 7：在 ECU 處進(jìn)行的從 48V 向其他電壓的轉(zhuǎn)換

在分布式架構(gòu)中，多個(gè)功率要求較低的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可為不同的負(fù)載組生成 12V 電壓軌。這種方法可以使用集成了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，還可以自由選擇電壓（如 48V 至 3.3V），并改善 PCB 上的熱分布。如果 OEM 希望重復(fù)使用現(xiàn)有的 12V 設(shè)計(jì)，集中式 12V 電壓軌是更容易實(shí)現(xiàn)的方案。在此架構(gòu)中，一個(gè)始終開(kāi)啟的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為功能安全關(guān)鍵負(fù)載供電，而另一個(gè)對(duì)功率要求較高的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器則為 12V 系統(tǒng)的其余部分供電。另一種選項(xiàng)是使用雙向 48V 至 12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器，讓電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)或 12V 電壓軌的正瞬變電壓能量流回 48V 電源軌。

48V 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

采用 48V 低壓軌時(shí)，面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括瞬變電壓、爬電距離和電氣間隙要求、電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)，以及集成電路 (IC) 成本。

瞬變電壓是 48V 系統(tǒng)中的主要討論話題。如今，12V 系統(tǒng)已經(jīng)廣為人知，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 16750-2 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最嚴(yán)苛工況（如負(fù)載突降）下的電壓瞬變曲線。而對(duì)于 48V 系統(tǒng)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（ISO 21780 和 Liefervorschriften [LV] 148）是專門針對(duì)要求過(guò)電壓點(diǎn)高達(dá) 70V 的 MHEV 制定的。但是，如果考慮到開(kāi)關(guān)瞬變或元件裕量，元件額定電壓將遠(yuǎn)高于 70V。

MHEV 標(biāo)準(zhǔn)雖然可以用作起點(diǎn)，但對(duì)于不使用大功率起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，而是通過(guò)高壓電池生成 48V 電壓的電動(dòng)或混合動(dòng)力系統(tǒng)而言，這些標(biāo)準(zhǔn)不一定適用。有關(guān) BEV 48V 低電壓網(wǎng)的具體標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中，但 OEM 可能會(huì)開(kāi)始制定自有標(biāo)準(zhǔn)，以將線路瞬變電壓控制在 70V 以下。圖 8 將潛在的 BEV 標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)有的 ISO 21780標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較。

圖 8：潛在 BEV 標(biāo)準(zhǔn)和 ISO 21780 的瞬變電壓對(duì)比

雖然 60V 和 70V 之間的差異看似微小，但適應(yīng)更高電壓的 IC 成本并不一定呈線性增長(zhǎng)。此外，即使有可能限制電源電壓范圍，但仍然必須考慮可能發(fā)生的線束故障模式事件，而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)（如 ISO 7637-2）已對(duì)此進(jìn)行了規(guī)范。

爬電距離與電氣間隙要求是指根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì) PCB 上所有導(dǎo)電部件之間最短距離的測(cè)量。當(dāng)兩點(diǎn)之間的電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電弧，而爬電距離與電氣間隙是防止電弧的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。存在多種不同的爬電距離與電氣間隙標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際電工委員會(huì) 60664-1 與印制電路協(xié)會(huì) 2221A），而 OEM 甚至可能有自己的內(nèi)部指導(dǎo)。從 12V 升級(jí)到 48V 將提升爬電距離與電氣間隙要求，直接影響 IC 封裝、PCB 布局，以及線束連接器等。

48V 系統(tǒng)的一個(gè)更細(xì)微影響是，雖然有助于減少傳導(dǎo)損耗，但開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增加。這一點(diǎn)在針對(duì)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器（如 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）的 EMC 測(cè)試中將產(chǎn)生重要影響。將電壓 (VDS) 從 12V 提高到 48V 可以降低電流 (IDS)。但是，如果 48V 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換率 (tR + tF) 仍與 12V 系統(tǒng)相同，那么功率開(kāi)關(guān)損耗 (PSW) 將變?yōu)樗谋丁?/p>

雖然還有更多的因素會(huì)影響開(kāi)關(guān)損耗，但圖 9 說(shuō)明了在 48V 系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換率如何影響開(kāi)關(guān)損耗。

圖 9：開(kāi)關(guān)損耗對(duì) EMC 的影響

結(jié)語(yǔ)

48V 系統(tǒng)可以縮減線束的重量和規(guī)格，從而節(jié)省線材的實(shí)際銅成本和制造成本。無(wú)論是在 IC 級(jí)別還是系統(tǒng)級(jí)別，采用 48V 都會(huì)帶來(lái)許多優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，從而以某種方式影響成本。OEM 將決定集成 48V 系統(tǒng)的時(shí)機(jī)和方式，以最大限度地提高優(yōu)勢(shì)并降低成本。最近的車輛創(chuàng)新證明了，市場(chǎng)和半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)為 48V 系統(tǒng)做好了準(zhǔn)備。

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