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在本文中，德州儀器將討論電動車輛和混合動力車輛對 48V 低壓軌系統的日益關注，以及工程師如何利用它們在實現新功能的同時，縮小線束尺寸并降低成本。
引言
在最近與汽車制造商的對話中，48V 低壓軌被頻繁提及。但為什么是現在？48V 系統并不是新事物。多年來，其一直在幫助提高輕度混合動力電動車輛 (MHEV) 的效率和性能。
48V 系統再次受到關注，可能與電池電動車輛 (BEV) 和混合動力車輛 (HEV) 的日益普及有關。通過高壓電池產生 48V 電壓的電動車輛或混合動力車輛可以實現 48V 系統的一個重要優勢：增加 48V 低壓軌可以縮減整車供電線束的規格，并降低電源開關和電機驅動器等下游半導體元件的負載電流要求。因此，48V 系統可提供比 12V 系統更強的功率，為增加人工智能或迷你冰箱等功能提供了機會。
BEV 原始設備制造商 (OEM) 正在尋求優化 BEV 成本、重量和續航里程的方法。從電氣角度看，通過區域架構減少線束，或者使用 48V 低壓軌進行配電，將有可能解決這三個問題。20 世紀初，在電氣/電子 (E/E) 系統的功率需求迫使市場轉向 12V 之前，汽車行業使用 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 轉向 48V 會帶來挑戰，但也將為采用 48V 低壓軌的 OEM 帶來機遇。
48V 系統在 MHEV 與 BEV 中的應用
20 世紀 90 年代末，人們曾經推動采用 42V E/E 系統。但由于缺乏高效電機，OEM 放棄了這種方法，市場轉向使用高壓起動發電機的 MHEV。因此，雖然 MHEV 是“首批”48V 系統，但它們僅使用 48V 電池和小型電機來輔助 ICE，以降低油耗并提高效率。
在 MHEV 中，為 E/E 系統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換器，這顯著增加了成本負擔。相比之下，全混合動力車輛 (HEV)、插電式混合動力車輛 (PHEV) 和 BEV 可以使用高壓電池創建 48V 低壓軌，為整個 E/E 系統供電。
由于車型和平臺有限，未來的 BEV 平臺成為了 OEM 部署 48V 汽車系統的主要目標。向電動車輛的過渡也增加了對 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區域架構，如圖 2 中所示，該架構根據位置而不是功能對配電、通信和負載驅動進行分組，從而優化車輛布線。區域架構通過使用智能半導體保險絲替代傳統的熔斷式保險絲來進行配電，并充當從中央計算機到傳感器、執行器和電子控制單元 (ECU) 的通信網關，從而減少了車輛布線。
圖 2：第一代區域架構
在下一代區域架構中加入 48V 低壓軌可進一步減輕線束重量，并降低成本。48V 電壓軌可縮減線纜規格，減少線束中的功率損耗，還可能減小印刷電路板 (PCB) 的尺寸，因為在提供相同功率的情況下，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 說明了從 12V 轉換到 48V 的優勢。
圖 3：從 12V 到 48V 使得線束減少
在圖 3 中，區域控制模塊需要 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%。對于窗口電機，12V 下的 20A 電流將變為 48V 下的 5A 電流，這將節省 60% 的成本并減少 52% 的線材重量。隨著負載電流要求的降低，轉向 48V 所帶來的線束優勢也會相應減少。
盡管轉向 48V 的主要好處是縮減線纜規格，但線纜成本并非唯一因素。如今，在車輛上安裝美國線纜規格 (AWG) 4 號等粗規格線纜需要投入大量勞動力。通過縮減 48V 系統中的線纜規格，將使采用自動化制造流程安裝線束成為可能，從而顯著降低成本。
48V 架構
在為 48V 架構優化線束時，OEM 需要評估不同的架構。圖 4 至圖 6 展示了實現 48V 低壓軌時的三種選項：48V 主配電和 12V 本地配電、48V 配電和 12V 配電，或僅 12V 配電和 48V 高電流負載。
圖 4：48V 架構（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 高電流負載
對于 48V 設計，破壞性最小的方法是使用 48V 電壓軌為高電流負載供電，并將其他所有負載維持在 12V。48V 和 12V 可分配給區域控制模塊或其他 ECU，但這種方法會帶來一些挑戰。兩種不同電壓的分配使線束布線成為一個關鍵因素，因為在同一線束中布設 12V 和 48V 可能導致從 12V 到 48V 系統之間出現短路。對功能安全的考量也會增加成本，因為可能需要冗余的 12V 和 48V 電源。
更激進的設計變更是直接采用 48V 配電架構，并根據需要在本地生成 12V 軌。帶有本地 12V 電壓的 48V 配電是一種最佳架構，能夠實現轉換至 48V 的全部優勢，因為它最大限度地減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，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 系統提供了兩種可能的電源架構：分布式 12V 和集中式 12V。
圖 7：在 ECU 處進行的從 48V 向其他電壓的轉換
在分布式架構中，多個功率要求較低的 DC/DC 轉換器可為不同的負載組生成 12V 電壓軌。這種方法可以使用集成了金屬氧化物半導體場效應晶體管的 DC/DC 轉換器，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 希望重復使用現有的 12V 設計，集中式 12V 電壓軌是更容易實現的方案。在此架構中，一個始終開啟的 DC/DC 轉換器為功能安全關鍵負載供電，而另一個對功率要求較高的 DC/DC 轉換器則為 12V 系統的其余部分供電。另一種選項是使用雙向 48V 至 12V DC/DC 轉換器，讓電機的反電動勢或 12V 電壓軌的正瞬變電壓能量流回 48V 電源軌。
48V 系統的設計挑戰
采用 48V 低壓軌時，面臨的設計挑戰包括瞬變電壓、爬電距離和電氣間隙要求、電磁兼容性 (EMC) 標準，以及集成電路 (IC) 成本。
瞬變電壓是 48V 系統中的主要討論話題。如今，12V 系統已經廣為人知，國際標準化組織 (ISO) 16750-2 等標準規定了最嚴苛工況（如負載突降）下的電壓瞬變曲線。而對于 48V 系統，現行標準（ISO 21780 和 Liefervorschriften [LV] 148）是專門針對要求過電壓點高達 70V 的 MHEV 制定的。但是，如果考慮到開關瞬變或元件裕量，元件額定電壓將遠高于 70V。
MHEV 標準雖然可以用作起點，但對于不使用大功率起動發電機系統，而是通過高壓電池生成 48V 電壓的電動或混合動力系統而言，這些標準不一定適用。有關 BEV 48V 低電壓網的具體標準仍在制定中，但 OEM 可能會開始制定自有標準，以將線路瞬變電壓控制在 70V 以下。圖 8 將潛在的 BEV 標準與現有的 ISO 21780標準進行了比較。
圖 8：潛在 BEV 標準和 ISO 21780 的瞬變電壓對比
雖然 60V 和 70V 之間的差異看似微小，但適應更高電壓的 IC 成本并不一定呈線性增長。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生的線束故障模式事件，而現行標準（如 ISO 7637-2）已對此進行了規范。
爬電距離與電氣間隙要求是指根據行業標準，對 PCB 上所有導電部件之間最短距離的測量。當兩點之間的電壓超過擊穿電壓時，會產生電弧，而爬電距離與電氣間隙是防止電弧的關鍵設計參數。存在多種不同的爬電距離與電氣間隙標準（國際電工委員會 60664-1 與印制電路協會 2221A），而 OEM 甚至可能有自己的內部指導。從 12V 升級到 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 系統的一個更細微影響是，雖然有助于減少傳導損耗，但開關損耗會增加。這一點在針對開關電源轉換器（如 DC/DC 轉換器和電機驅動器）的 EMC 測試中將產生重要影響。將電壓 (VDS) 從 12V 提高到 48V 可以降低電流 (IDS)。但是，如果 48V 系統中的轉換率 (tR + tF) 仍與 12V 系統相同，那么功率開關損耗 (PSW) 將變為四倍。
雖然還有更多的因素會影響開關損耗，但圖 9 說明了在 48V 系統中，轉換率如何影響開關損耗。
圖 9：開關損耗對 EMC 的影響
結語
48V 系統可以縮減線束的重量和規格，從而節省線材的實際銅成本和制造成本。無論是在 IC 級別還是系統級別，采用 48V 都會帶來許多優勢和挑戰，從而以某種方式影響成本。OEM 將決定集成 48V 系統的時機和方式，以最大限度地提高優勢并降低成本。最近的車輛創新證明了，市場和半導體供應商已經為 48V 系統做好了準備。
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