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作者：德州儀器 在本文中，德州儀器將討論電動(dòng)車(chē)輛和混合動(dòng)力車(chē)輛對 48V 低壓軌系統的日益關(guān)注，以及工程師如何利用它們在實(shí)現新功能的同時(shí)，縮小線(xiàn)束尺寸并降低成本。 引言 在最近與汽車(chē)制造商的對話(huà)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(lái)，其一直在幫助提高輕度混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛 (MHEV) 的效率和性能。 48V 系統再次受到關(guān)注，可能與電池電動(dòng)車(chē)輛 (BEV) 和混合動(dòng)力車(chē)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(chē)輛或混合動(dòng)力車(chē)輛可以實(shí)現 48V 系統的一個(gè)重要優(yōu)勢：增加 48V 低壓軌可以縮減整車(chē)供電線(xiàn)束的規格，并降低電源開(kāi)關(guān)和電機驅動(dòng)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(huì )。 BEV 原始設備制造商 (OEM) 正在尋求優(yōu)化 BEV 成本、重量和續航里程的方法。從電氣角度看，通過(guò)區域架構減少線(xiàn)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 世紀初，在電氣/電子 (E/E) 系統的功率需求迫使市場(chǎng)轉向 12V 之前，汽車(chē)行業(yè)使用 6V 電壓軌供電。如今，功能豐富的車(chē)輛正在逼近 12V 電壓軌的極限。從 12V 轉向 48V 會(huì )帶來(lái)挑戰，但也將為采用 48V 低壓軌的 OEM 帶來(lái)機遇。 48V 系統在 MHEV 與 BEV 中的應用 20 世紀 90 年代末，人們曾經(jīng)推動(dòng)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(chǎng)轉向使用高壓起動(dòng)發(fā)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(lái)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(zhù)增加了成本負擔。相比之下，全混合動(dòng)力車(chē)輛 (HEV)、插電式混合動(dòng)力車(chē)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 系統供電。 由于車(chē)型和平臺有限，未來(lái)的 BEV 平臺成為了 OEM 部署 48V 汽車(chē)系統的主要目標。向電動(dòng)車(chē)輛的過(guò)渡也增加了對 HEV 和 PHEV 的投資。圖 1 概述了不同車(chē)輛類(lèi)型之間的差異。 
圖 1：車(chē)輛動(dòng)力總成類(lèi)型概述 減少線(xiàn)束 減少線(xiàn)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(dòng)進(jìn)行分組，從而優(yōu)化車(chē)輛布線(xiàn)。區域架構通過(guò)使用智能半導體保險絲替代傳統的熔斷式保險絲來(lái)進(jìn)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(wǎng)關(guān)，從而減少了車(chē)輛布線(xiàn)。
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(jìn)一步減輕線(xiàn)束重量，并降低成本。48V 電壓軌可縮減線(xiàn)纜規格，減少線(xiàn)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(shuō)明了從 12V 轉換到 48V 的優(yōu)勢。
圖 3：從 12V 到 48V 使得線(xiàn)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(guò)將電壓提升至四倍，并將電流降低四分之一，可將線(xiàn)束成本和重量降低 85%。對于窗口電機，12V 下的 20A 電流將變?yōu)?48V 下的 5A 電流，這將節省 60% 的成本并減少 52% 的線(xiàn)材重量。隨著(zhù)負載電流要求的降低，轉向 48V 所帶來(lái)的線(xiàn)束優(yōu)勢也會(huì )相應減少。 盡管轉向 48V 的主要好處是縮減線(xiàn)纜規格，但線(xiàn)纜成本并非唯一因素。如今，在車(chē)輛上安裝美國線(xiàn)纜規格 (AWG) 4 號等粗規格線(xiàn)纜需要投入大量勞動(dòng)力。通過(guò)縮減 48V 系統中的線(xiàn)纜規格，將使采用自動(dòng)化制造流程安裝線(xiàn)束成為可能，從而顯著(zhù)降低成本。 48V 架構 在為 48V 架構優(yōu)化線(xiàn)束時(shí)，OEM 需要評估不同的架構。圖 4 至圖 6 展示了實(shí)現 48V 低壓軌時(shí)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(huì )帶來(lái)一些挑戰。兩種不同電壓的分配使線(xiàn)束布線(xiàn)成為一個(gè)關(guān)鍵因素，因為在同一線(xiàn)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(huì )增加成本，因為可能需要冗余的 12V 和 48V 電源。 更激進(jìn)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(shí)現轉換至 48V 的全部?jì)?yōu)勢，因為它最大限度地減少了線(xiàn)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(jìn)行的從 48V 向其他電壓的轉換 在分布式架構中，多個(gè)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(chǎng)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(shí)現的方案。在此架構中，一個(gè)始終開(kāi)啟的 DC/DC 轉換器為功能安全關(guān)鍵負載供電，而另一個(gè)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(dòng)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(shí)，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(huà)題。如今，12V 系統已經(jīng)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(xiàn)。而對于 48V 系統，現行標準（ISO 21780 和 Liefervorschriften [LV] 148）是專(zhuān)門(mén)針對要求過(guò)電壓點(diǎn)高達 70V 的 MHEV 制定的。但是，如果考慮到開(kāi)關(guān)瞬變或元件裕量，元件額定電壓將遠高于 70V。 MHEV 標準雖然可以用作起點(diǎn)，但對于不使用大功率起動(dòng)發(fā)電機系統，而是通過(guò)高壓電池生成 48V 電壓的電動(dòng)或混合動(dòng)力系統而言，這些標準不一定適用。有關(guān) BEV 48V 低電壓網(wǎng)的具體標準仍在制定中，但 OEM 可能會(huì )開(kāi)始制定自有標準，以將線(xiàn)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(jìn)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(xiàn)性增長(cháng)。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(xiàn)束故障模式事件，而現行標準（如 ISO 7637-2）已對此進(jìn)行了規范。 爬電距離與電氣間隙要求是指根據行業(yè)標準，對 PCB 上所有導電部件之間最短距離的測量。當兩點(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(huì ) 60664-1 與印制電路協(xié)會(huì ) 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(xiàn)束連接器等。 48V 系統的一個(gè)更細微影響是，雖然有助于減少傳導損耗，但開(kāi)關(guān)損耗會(huì )增加。這一點(diǎn)在針對開(kāi)關(guān)電源轉換器（如 DC/DC 轉換器和電機驅動(dòng)器）的 EMC 測試中將產(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 系統中的轉換率 (tR + tF) 仍與 12V 系統相同，那么功率開(kāi)關(guān)損耗 (PSW) 將變?yōu)樗谋丁?br /> 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 系統中，轉換率如何影響開(kāi)關(guān)損耗。
圖 9：開(kāi)關(guān)損耗對 EMC 的影響 結語(yǔ) 48V 系統可以縮減線(xiàn)束的重量和規格，從而節省線(xiàn)材的實(shí)際銅成本和制造成本。無(wú)論是在 IC 級別還是系統級別，采用 48V 都會(huì )帶來(lái)許多優(yōu)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(shí)機和方式，以最大限度地提高優(yōu)勢并降低成本。最近的車(chē)輛創(chuàng )新證明了，市場(chǎng)和半導體供應商已經(jīng)為 48V 系統做好了準備。 |
