這幾年，越來(lái)越多汽車OEM和Tier1推出12V/48V雙電池汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輕混合動(dòng)力汽車 （MHEV）及方案 ，而自從特斯拉高調(diào)宣布，Cybertruck和特斯拉將來(lái)推出的所有平臺(tái)都將采用48V，更是為48V系統(tǒng)“添了一把柴”，12V退出歷史舞臺(tái)的腳步加快了。

第一部分：為什么是48V？

如今，12V已面臨過(guò)多限制，許多汽車OEM都將48V視作最為合理的發(fā)展目標(biāo)，因?yàn)檫@一電壓能夠達(dá)成一種理想的平衡。

一是功率損耗更低，效率更高，提高能源利用率，有利于簡(jiǎn)化汽車組件散熱設(shè)計(jì)，降低成本。根據(jù)歐姆定律P=I2R，理論上，在48V架構(gòu)中，由于電流是12V架構(gòu)的四分之一，所以電力傳輸系統(tǒng)中電阻導(dǎo)致的各種功率損耗都可以降低到原來(lái)的十六分之一。

二是產(chǎn)品/線束更輕，成本降低，并且有利于整車減重，提高電車?yán)m(xù)航。根據(jù)電功率公式P=V·I和 PLOSS = I2R，電壓加倍意味著設(shè)備可以用一半的電流獲得相同的功率，電流降低意味著可以使用規(guī)模更小的導(dǎo)線、端子和連接器，這些因素都能減輕重量并降低成本。

三是48V遠(yuǎn)低于60V這一防范電擊危險(xiǎn)所要求公認(rèn)限值，48V電池的充電電壓最高56V，已經(jīng)很接近60V，即48V電池電壓是安全電壓下的最高電壓等級(jí)了。

四是48V電網(wǎng)還能在車聯(lián)網(wǎng) (V2X) 和 ADAS 方面使系統(tǒng)為未來(lái)應(yīng)用做好準(zhǔn)備（負(fù)載點(diǎn)控制）。

48V系統(tǒng)由BSG（發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)的電機(jī)）+48V 電池+DC/DC三大部分組成。值得注意的是，48V輕混系統(tǒng)并不是完全替代了傳統(tǒng)的12V電氣系統(tǒng)，而是保留了此前的 12V系統(tǒng)，這樣可以最大程度的兼容原有系統(tǒng)，節(jié)約大量的研發(fā)成本。48V系統(tǒng)對(duì)工作溫度和軟件的匹配標(biāo)定等方面都有著較為苛刻的要求。

第二部分：48V系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題

既然48V這么萬(wàn)能，為什么汽車行業(yè)切換起來(lái)這么費(fèi)勁？實(shí)際上，這會(huì)牽扯到許多設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題。同時(shí)，48V系統(tǒng)對(duì)工作溫度和軟件的匹配標(biāo)定等方面都有著較為苛刻的要求。

電弧防護(hù)

電弧風(fēng)險(xiǎn)受電壓水平及端子間距影響，溫度可達(dá)2800～19000°C。12V電路中，電弧一般會(huì)快速熄滅，但在48V下，電弧可能持續(xù)，損壞端子和連接器。

目前尚不確定，用于48V系統(tǒng)的12V刀片式保險(xiǎn)絲能否提供足夠的電弧防護(hù)。而且，由于48V系統(tǒng)所需的繼電器觸點(diǎn)距離將大于12V系統(tǒng)所需的，因此需要重新設(shè)計(jì)保險(xiǎn)絲和繼電器。由于這些組件的要求都可通過(guò)采用半導(dǎo)體器件輕松滿足，所以這些問(wèn)題很可能通過(guò)電子方案來(lái)解決。也就是說(shuō)，更多eFuse方案會(huì)被采納。

電壓架構(gòu)不斷發(fā)生變化

目前很難跨越到全48V系統(tǒng)，因此市面大部分方案并沒(méi)有完全替代傳統(tǒng)12V電氣系統(tǒng)，而是保留了此前的12V系統(tǒng)，這樣可以最大程度的兼容原有系統(tǒng)，節(jié)約大量的研發(fā)成本，所以設(shè)備很有可能是12V系統(tǒng)和48V系統(tǒng)并存，因此整個(gè)的電源架構(gòu)可能在未來(lái)每個(gè)時(shí)期都會(huì)有所不同。 

EMI要求更高了

在48V下，盡管輸出功率相同，但較低負(fù)載電流減少了傳導(dǎo)（差分）發(fā)射，因此開(kāi)關(guān)波形（EMI 的第二主要來(lái)源）成了關(guān)注重點(diǎn)。較大的開(kāi)關(guān)波形振幅會(huì)增加EMI，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的噪聲輻射也會(huì)因大面積銅區(qū)（如電感器）而加劇，尤其在48V輸入電壓下更為明顯。

因此，在選擇48V應(yīng)用的電源穩(wěn)壓器時(shí)，必須評(píng)估高輸入電壓對(duì)EMI的影響，并選用具有 EMI緩解功能的穩(wěn)壓器，以降低額外的噪聲。即便使用低噪聲穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)時(shí)仍需遵循低噪聲PCB布局原則，選用合適的EMC元件，并以系統(tǒng)化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)低噪聲電源轉(zhuǎn)換器的最佳步驟是先參考數(shù)據(jù)表和評(píng)估板示例進(jìn)行仿真。

具有相同負(fù)載條件的24V和48V輸入的LM5164-Q1 EMI性能，圖源｜TI

BMS控制更謹(jǐn)慎了

48V電池系統(tǒng)由鋰離子電池構(gòu)成，相較于鉛酸電池，需要更多注意和處理。鑒于此，48V汽車需要電池管理系統(tǒng)（BMS）負(fù)責(zé)監(jiān)控電池電壓和電池溫度，以便能夠安全地為電池充電。由于48V系統(tǒng)具有再生能力，這種情況也變得更為復(fù)雜。當(dāng)汽車電池的剩余電量足夠低時(shí)，可發(fā)出再生指令，但是對(duì)BMS的控制需要非常謹(jǐn)慎，這對(duì)于防止過(guò)充或過(guò)熱至關(guān)重要。 

端子接觸及鎖定 

避免使用有間歇接觸或微動(dòng)腐蝕的端子，否則會(huì)形成微電弧，損壞端子材料，增大電阻。采用有效的端子二次鎖定，防止端子退出（TPO）導(dǎo)致間歇性斷電及電弧形成。維修48V連接器前，務(wù)必?cái)嚯?，以免斷開(kāi)時(shí)形成高溫電弧。 

爬電距離和電氣間隙

爬電距離是沿絕緣材料表面的最短距離，電氣間隙是導(dǎo)體間空氣中的最短距離。使用IEC 60664-1規(guī)范確定爬電距離和電氣間隙。傳統(tǒng)汽車連接器大多滿足電氣間隙要求，但部分需設(shè)計(jì)調(diào)整以滿足爬電距離。

爬電距離和電氣間隙，圖源｜APTIV

電壓隔離

在混合電壓系統(tǒng)中，需避免電流從48V流向12V，因此最佳方式是隔離不同電壓的電路，或在連接器內(nèi)進(jìn)行物理分區(qū)。同時(shí)在布線時(shí)，盡量分開(kāi)布置48V和12V電路，并為易受損部位的48V電線提供額外保護(hù)。避免使用相同的接地螺栓，以防電流通過(guò)共享連接跨電壓流動(dòng)。

密封要求

48V連接器意外接觸到鹽水等電解液，產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)對(duì)端子的侵蝕比12V情況下更嚴(yán)重，所以必須保持密封足夠嚴(yán)密。

配套產(chǎn)業(yè)鏈都要更換

從12V提高到48V后， 零部件、接插件、開(kāi)關(guān)等的耐壓要提高；為了兼容12V的硬件，還需增加48V轉(zhuǎn)12V的直流變壓器；由于電壓升高了，觸點(diǎn)更容易產(chǎn)生電弧，所以采通常需要采用電子繼電器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁繼電器或者電子保險(xiǎn)絲；甚至為了安全著想，48V連接器也通常采納淺藍(lán)色的顏色編碼，提示人們注意穿戴個(gè)人防護(hù)裝備。

第三部分：48V設(shè)計(jì)架構(gòu)上的變化 

特斯拉是堅(jiān)定的“48V愛(ài)好者”。特斯拉不僅表示，其CyberTruck采用全48V方案，同時(shí)將進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)修改，在幾款現(xiàn)有車型中停用12V母線，已經(jīng)組建了自己的“秘密”附件團(tuán)隊(duì)，專門開(kāi)發(fā)面向48V架構(gòu)的產(chǎn)品，如照明、絞盤和空氣壓縮機(jī)。

不過(guò)，經(jīng)過(guò)拆解分析，CyberTruck將48V的連接器和包裝設(shè)計(jì)成了藍(lán)色，較好地與高壓的橙色進(jìn)行了區(qū)分，同時(shí)目前CyberTruck的設(shè)計(jì)與特斯拉所說(shuō)有些出入，并不是所有的低壓設(shè)計(jì)都采用了48V，依然保留了12V的設(shè)計(jì)。

所以，目前市場(chǎng)還沒(méi)有真正意義上的全48V汽車系統(tǒng)，只是向48V系統(tǒng)的漸進(jìn)式過(guò)渡，并且預(yù)期10到15 年許多車輛將繼續(xù)使用現(xiàn)有的12V附件和子系統(tǒng)。

目前，使用比較多的48V電氣系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖如下圖所示。由兩個(gè)電源總線、一個(gè)12V電池和總線組成，用于為大多數(shù)傳統(tǒng)汽車負(fù)載供電；一個(gè)48V電池和總線，用于為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其他高功率附件供電。12V系統(tǒng)運(yùn)行所有常規(guī)設(shè)備，包括信息娛樂(lè)系統(tǒng)、照明和車身電氣附件，如車窗、車門、座椅等。48V系統(tǒng)運(yùn)行電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和任何重型負(fù)載，如 HVAC、選定的泵、轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)，如果 ICE 使用電動(dòng)渦輪增壓器，則使用電動(dòng)渦輪增壓器。

兩個(gè)主要電氣系統(tǒng)連接到雙向升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器為12V和48V總線提供服務(wù)，以及一個(gè)用于操作三相同步感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器。一些S/G是皮帶驅(qū)動(dòng)的，而其他制造商則將S/G放置在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間。

還有一些比較實(shí)際方法是實(shí)施一種分布式電源傳輸架構(gòu)，比如Vicor開(kāi)發(fā)的分布式系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中，車輛的48V電源來(lái)自主要400/800V電池，然后發(fā)送到靠近負(fù)載點(diǎn)的12V電源轉(zhuǎn)換器。通過(guò)使用兩個(gè)或更多獨(dú)立、隔離的電壓轉(zhuǎn)換器供電，可以為制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和其他ASIL D安全關(guān)鍵功能提供冗余電源。

此外，Vicor還展示過(guò)一個(gè)很具有前瞻性方案。當(dāng)前，汽車E/E架構(gòu)從域控制Domian過(guò)渡到區(qū)域控制Zonal是主流，Vicor則將48V和Zonal結(jié)合在一起。

從下圖來(lái)看，包含12V和48V負(fù)載，整車低壓負(fù)載通過(guò)48V傳輸，12V電氣負(fù)載通過(guò)48V進(jìn)行轉(zhuǎn)換。區(qū)域E/E架構(gòu)配備了高性能計(jì)算單元，并通過(guò)CAN總線和汽車以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)了更高效的負(fù)載管理和電源分配。48V PDN通過(guò)集成充電器和48V電源傳遞網(wǎng)絡(luò)到電池包中，解決了400V/800V充電基礎(chǔ)設(shè)施之間不兼容性問(wèn)題。這種集成不僅減少了熱量、成本和重量，還提高了系統(tǒng)的整體效率。

目前，48V技術(shù)的應(yīng)用還較為有限。48V系統(tǒng)面世已有幾年，主要為輕度混合動(dòng)力汽車的起動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)及大功率配件（如主動(dòng)懸掛和動(dòng)力轉(zhuǎn)向）提供動(dòng)力。正如特斯拉在演示中所述，電壓越高，電流越小，需要的電線也越細(xì)，從而減輕重量并節(jié)省成本。

引入48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)后，設(shè)計(jì)完成的優(yōu)勢(shì)顯著。然而，改變傳統(tǒng)12V供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的猶豫依然存在，因?yàn)檗D(zhuǎn)換過(guò)程可能涉及大量測(cè)試，還可能需要符合汽車產(chǎn)業(yè)高安全性和高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的新供應(yīng)商。數(shù)據(jù)中心行業(yè)在轉(zhuǎn)向48V PDN的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這一變革的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了轉(zhuǎn)換成本。同樣，對(duì)于汽車行業(yè)而言，48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)為快速推出排放更低、油耗更低、行駛里程更遠(yuǎn)的全新車輛提供了新途徑。此外，它為提升性能并減少二氧化碳排放帶來(lái)了全新設(shè)計(jì)選擇。

那么，48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)能否徹底取代12V電機(jī)驅(qū)動(dòng)？答案是否定的。TI的Karl-Heinz Steinmetz曾向EEWorld表示，高端汽車制造商全面轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng)可能仍需10至15年，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)12V/48V雙動(dòng)力結(jié)構(gòu)將會(huì)繼續(xù)存在。

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