用于車輛48V電源系統(tǒng)的參考案例

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

隨著車輛集成高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）、車聯(lián)網 （V2X） 通信和電動渦輪增壓等高級功能，傳統(tǒng) 12 V 系統(tǒng)的局限性越來越明顯。為了滿足這些和其他高耗電應用的需求，48 V 電源系統(tǒng)應運而生，因為它們有望提供現(xiàn)代汽車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，從而實現(xiàn)了更細的布線和更輕的連接器，同時顯著降低了成本。雖然更細的電線并不比 12 V 的電線便宜四倍，但銅的減少可以節(jié)省大量成本并簡化制造。這種轉變還降低了熱管理挑戰(zhàn)，因為 12 V 系統(tǒng)中較高的電流會產生過多的熱量，使設計復雜化并降低性能。

此外，48 V 系統(tǒng)優(yōu)化了再生制動，從而改善了能量回收并提高了傳動系統(tǒng)的效率。通過解決長期存在的配電瓶頸，48 V 系統(tǒng)為可擴展、著眼于未來的平臺鋪平了道路，為迎接電氣化時代做好準備。

比較 12 V 和 48 V 系統(tǒng)

以下是升級到 48 V 系統(tǒng)前景的一個令人信服的論據(jù)（圖 1）。在 12 V 系統(tǒng)中提供 1 kW 的功率大約需要 83 A，而在 48 V 系統(tǒng)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，從而使單個大電流電力電纜的重量減輕高達 85%。這些節(jié)省顯著減輕了車輛重量，提高了整體系統(tǒng)效率，尤其是在大規(guī)格布線占主導地位的應用中。

圖 1.48 V 電源系統(tǒng)的核心組件包括一些 12 V 組件。

48 V 系統(tǒng)中的較低電流還減少了熱量的產生，簡化了熱管理并提高了系統(tǒng)效率。相比之下，12 V 系統(tǒng)中的大電流會產生更多的熱量，需要更粗的電纜和額外的冷卻解決方案。雖然 12 V 系統(tǒng)通常依靠散熱器和強制冷卻來管理更高的電流路徑，但由于散熱需求降低，48 V 系統(tǒng)允許使用更小的冷卻解決方案，例如局部導熱墊。

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

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，同時使平臺面向未來并解決關鍵的電源限制問題。

分區(qū)架構和 48 V 系統(tǒng)

區(qū)域架構與 48 V 系統(tǒng)配對的分散式方法簡化了布線復雜性，提高了車輛設計的靈活性（圖 2）。通過將控制權分配給本地化區(qū)域控制器，與傳統(tǒng)的集中式平臺相比，區(qū)域配置顯著縮短了布線長度。

圖 2.在區(qū)域架構中，本地計算機從傳感器收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央計算機。

在集中式架構中，后保險杠中的停車傳感器可能需要 3 米的布線才能到達中央控制器。使用區(qū)域控制器，這些相同的傳感器僅使用 0.5 m 的電線連接到附近的控制器，從而減輕了車輛重量。較短的電線也占用更少的空間，從而簡化了組裝。局部供電通過更短的布線距離來減少電磁干擾 （EMI）。

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

權衡比較：區(qū)域架構與集中式架構

48 V 系統(tǒng)中的安全、EMI 和測試

過渡到 48 V 系統(tǒng)會帶來工程挑戰(zhàn)，尤其是在安全、EMI 和測試方面。在較高電壓下，電弧會成為一個重大風險，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”穿過絕緣表面或在導電元件之間跳躍。相比之下，12 V 系統(tǒng)的電弧風險較低，但在管理大電流應用時仍面臨挑戰(zhàn)，在這些應用中，不正確的間距或絕緣會導致過熱或系統(tǒng)故障。

高性能連接器采用增強的間距和先進的材料，可防止泄漏，以解決電弧風險，有助于在苛刻的汽車條件下提供可靠性。例如，電動汽車電池模塊中的緊湊型連接器設計使用聚苯硫醚 （PPS） 來保持爬電距離和間隙，同時在高振動環(huán)境中抵抗電弧。相比之下，由于 12 V 系統(tǒng)的電壓較低，因此對絕緣和間距標準的要求較低，從而簡化了制造過程，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(tǒng)的降壓轉換器中至關重要。使用安全級電容器強調了適當?shù)母綦x，這些電容器提供電壓隔離并在 EMI 濾波中起著至關重要的作用。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(tǒng)。在 12 V 系統(tǒng)中，EMI 問題主要局限于大電流路徑，而 48 V 系統(tǒng)由于高頻通信線路的敏感性增加，因此需要更全面的屏蔽策略。區(qū)域設計中較短的布線長度本身就降低了 EMI 風險，但需要小心接地以避免信號衰減。

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

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

48 V 設計的可靠性和標準化

48 V 系統(tǒng)的安全性和可靠性取決于對設計標準和先進材料（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(wěn)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，而先進的材料在緊湊的高壓環(huán)境中將電弧風險降至最低。

OEM 和供應商之間的標準化簡化了系統(tǒng)集成。引腳尺寸、外殼設計和材料規(guī)格的電壓特定規(guī)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(tǒng)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(tǒng)可靠性。這些保護措施即使在高振動環(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(tǒng)，在車輛的整個生命周期內保持安全性和效率。

驅動未來

向 48 V 系統(tǒng)的過渡代表了汽車設計的重大轉變。它提供了一個可擴展的框架，以滿足不斷增長的電力需求，并為未來的創(chuàng)新奠定基礎。轉向模塊化設計的工程師可以無縫集成自動駕駛系統(tǒng)和高級 V2X 通信等技術，為下一代移動出行做好準備。

隨著 48 V 的加速采用，充電基礎設施、區(qū)域設計和模塊化電源系統(tǒng)的進步將定義下一波功能豐富的汽車。今天采用這些架構的工程師將在電氣化、自動駕駛和連接性方面引領潮流，確保他們的設計滿足未來汽車領域的需求。