如何實(shí)現(xiàn)飛躍至48V電氣架構(gòu)

How to Make the Leap to  48V Electrical Architectures

即使不考慮從內(nèi)燃機(jī)向電池電動(dòng)汽車（BEV）的過(guò)渡，當(dāng)今汽車的電力需求也變得令人生畏。車內(nèi)的每一個(gè)設(shè)備——從空調(diào)和座椅加熱器到照明和信息娛樂(lè)系統(tǒng)——都需要電力，而提供電力的電線必須有足夠大的直徑來(lái)支持電流。

大量的設(shè)備及其相應(yīng)的導(dǎo)線在封裝和布線方面帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。隨著OEMs專注于提高燃油經(jīng)濟(jì)性和電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，所有這些電線的重量和成本都受到了越來(lái)越多的審查。

縮小線規(guī)并降低重量和成本的一種方法是從12V的電氣架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛?8V的架構(gòu)。但轉(zhuǎn)向48V的OEMs必須特別注意幾個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。

12V的起源

這不是車輛電氣架構(gòu)中的第一個(gè)拐點(diǎn)。70年前，汽車行業(yè)也面臨著類似的挑戰(zhàn)，盡管規(guī)模較小。在20世紀(jì)50年代之前，大多數(shù)汽車都使用6伏電池和電氣系統(tǒng)。含量和銅價(jià)的上漲推動(dòng)了一場(chǎng)革命，在十年的時(shí)間里，全世界的汽車都變成了12V。

因?yàn)殡姽β视煞匠蘌=V×I（功率等于電壓乘以電流）決定，所以將電壓加倍意味著設(shè)備可以用一半的電流接收相同的功率。電流決定了電線的直徑，因?yàn)檩^厚的電線電阻較小，因此需要安全地承載更高的電流。反之亦然：較低的電流可以安全地流過(guò)較細(xì)的導(dǎo)線，因此減少電流可以使用較小的導(dǎo)線、端子和連接器，所有這些都可以減輕重量和材料成本。

因此，增加電壓是解決增加功能、包裝、重量和成本增加問(wèn)題的重要工具。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，流經(jīng)12V系統(tǒng)的平均電流量增加了650%以上。顯然是時(shí)候進(jìn)行另一次架構(gòu)大修了。

為什么是48V？

現(xiàn)在12V已經(jīng)變得過(guò)于有限，許多汽車OEMs將48V作為最合乎邏輯的前進(jìn)方向，因?yàn)樗_(dá)到了最佳點(diǎn)：將電壓增加四倍可將電流減少四倍，同時(shí)保持遠(yuǎn)低于60V的極限，這是通常公認(rèn)的防止觸電危險(xiǎn)的保護(hù)措施。通過(guò)采用48V，在過(guò)電壓的情況下，設(shè)計(jì)可以得到高達(dá)60V的保護(hù)。

除了能夠?qū)崿F(xiàn)明顯更小的端子和布線之外，更高的電壓更省電。歐姆定律規(guī)定P=I2R（功率等于電流的平方乘以電阻），所以因?yàn)?8V中的電流體系結(jié)構(gòu)是12V體系結(jié)構(gòu)中電流的四分之一，理論上由于電力輸送系統(tǒng)中的電阻引起的任何電力損失減少了16倍。當(dāng)然，電阻會(huì)隨著導(dǎo)線尺寸的減小而增加，因此實(shí)際損耗將取決于系統(tǒng)優(yōu)化。盡管如此，隨著電流的減少，當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，導(dǎo)線上的電壓降也會(huì)更小。一些設(shè)備，如啟動(dòng)電機(jī)，也將受益于更高的工作電壓。它們將需要更少的銅并提供更多的扭矩，同時(shí)可能具有更小的封裝尺寸。

設(shè)計(jì)考慮

如果從12V到48V的過(guò)渡提供了所有這些優(yōu)勢(shì)，為什么汽車行業(yè)還沒(méi)有轉(zhuǎn)變？它在過(guò)去曾被考慮過(guò)，但12V背后的行業(yè)勢(shì)頭不容低估。該行業(yè)已經(jīng)使用12V系統(tǒng)70年了，切換到48V將需要新的設(shè)計(jì)和許多設(shè)備的重組。同樣值得注意的是，并非所有設(shè)備都會(huì)從12V切換到48V。一些較小的設(shè)備消耗較少的功率將保持在12V。此外，隨著市場(chǎng)向純電動(dòng)汽車過(guò)渡，一些設(shè)備將以電池組電壓運(yùn)行，通常為400V或800V。

在48V有意義的情況下，設(shè)計(jì)者必須采取幾個(gè)步驟來(lái)確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。

密封要求

如果48V連接器意外暴露在鹽水等電解質(zhì)中，所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)會(huì)比12V時(shí)更強(qiáng)烈地侵蝕端子，因此設(shè)計(jì)者在決定是否必須密封連接器時(shí)應(yīng)牢記這一點(diǎn)。無(wú)論指示在何處進(jìn)行密封，一定要使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的堅(jiān)固密封技術(shù)。

防電弧

電弧是一種與電壓水平和端子之間的間隔有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。電弧的溫度在2800°C到19000°C之間。當(dāng)12V電路斷開(kāi)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)小電弧，但通常會(huì)很快自行熄滅。在48V電壓下，電弧有可能持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，并對(duì)端子和連接器造成災(zāi)難性損壞。為了防止這種情況發(fā)生，連接器中的端子應(yīng)適當(dāng)間隔，并應(yīng)特別小心避免熱斷開(kāi)。

避免有間歇性接觸、微動(dòng)腐蝕或端子退出（TPO）。如果端子接觸不穩(wěn)定，微電弧會(huì)破壞鍍層或損害端子基底金屬，導(dǎo)致高電阻或焊接連接。

利用有效的端子二次鎖定，確保端子完全鎖定在連接器中。TPO可能導(dǎo)致緩慢或間歇性的電源斷開(kāi)，從而導(dǎo)致破壞性電弧。

在維修48V接頭之前，應(yīng)斷開(kāi)48V電源。緩慢斷開(kāi)通電連接系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致電弧延長(zhǎng)，并產(chǎn)生熱后果。

電壓分離

在混合電壓系統(tǒng)中必須采取特殊預(yù)防措施，以確保電流不能從48V設(shè)備流到12V設(shè)備。隔離在不同電壓下運(yùn)行的電路是最好的解決方案。

保守的方法是避免連接器同時(shí)具有48V和12V電路。如果無(wú)法做到這一點(diǎn)，則應(yīng)對(duì)連接器進(jìn)行分區(qū)，以在物理上分離電壓。布線線束時(shí)，最好將48V和12V電路分開(kāi)，但并非總是可能的。

避免在電線絕緣層可能損壞的區(qū)域布線48V引線，必要時(shí)使用覆蓋物。電線絕緣受損會(huì)導(dǎo)致車輛中的接地金屬產(chǎn)生電弧。此外，對(duì)于不同的電壓設(shè)備，應(yīng)避免使用相同的接地螺柱。如果接地螺柱松動(dòng)或分離，電流可能通過(guò)共享連接從48V設(shè)備流到12V設(shè)備。

爬電和間隙

即使48V被認(rèn)為是低電壓，電弧也會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。為減少風(fēng)險(xiǎn)，連接器的設(shè)計(jì)必須滿足爬電和間隙要求。

爬電：絕緣材料表面上兩個(gè)導(dǎo)電點(diǎn)之間的最短距離

間隙：導(dǎo)線之間通過(guò)空氣的'視線'距離

爬電距離和間隙注意事項(xiàng)

無(wú)論是鑒定現(xiàn)有連接器還是為48V系統(tǒng)設(shè)計(jì)新連接器，都應(yīng)使用IEC 60664-1 3.0版（2020-5）規(guī)范來(lái)確定適當(dāng)?shù)呐离姾烷g隙，以滿足連接器中端子位置的要求。爬電是絕緣材料表面上兩個(gè)導(dǎo)電點(diǎn)之間的最短距離。間隙是指導(dǎo)體之間的“視線”或通過(guò)空氣的最短距離。在應(yīng)用規(guī)范時(shí)，重要的是要保護(hù)60V，即過(guò)電壓范圍的上限。

對(duì)密封和未密封的連接器（通常為2級(jí)或3級(jí)）使用適當(dāng)?shù)奈廴境潭?，并根?jù)IEC 60112/UL 1950中定義的比較跟蹤指數(shù)（CTI）選擇正確的材料組。CTI是材料能夠承受50滴污染水而不會(huì)由于電應(yīng)力而形成導(dǎo)電路徑的最大電壓，濕度和污染。大多數(shù)具有傳統(tǒng)端子間距的汽車連接器和接頭將滿足間隙要求，但有些連接器和接頭需要細(xì)微的設(shè)計(jì)更改才能滿足爬電要求。

48V的興起

基于48V的電氣架構(gòu)提供了許多好處，但必須仔細(xì)遵循設(shè)計(jì)指南，以減輕與更高電壓相關(guān)的任何風(fēng)險(xiǎn)。

隨著48V設(shè)備在現(xiàn)代混合電壓車輛架構(gòu)中變得越來(lái)越普遍，先進(jìn)的技術(shù)可以幫助確保架構(gòu)能夠支持它們。例如，線束自動(dòng)化可以顯著提高，降低端子退出的風(fēng)險(xiǎn)。48V固態(tài)電氣中心的先進(jìn)軟件算法可能能夠檢測(cè)和減輕電弧。定義各種車輛類型的電網(wǎng)架構(gòu)將有助于建立滿足所有功能安全要求的48V電源和備份。印刷電路板和其他元件的設(shè)計(jì)可以使配電模塊在48V電壓下更小、更涼爽、更便宜。

48V的顏色編碼

在汽車行業(yè)，橙色連接器和電線與高壓是同義詞，包括60V以上的任何電壓。這種顏色編碼系統(tǒng)清楚地識(shí)別了在沒(méi)有適當(dāng)?shù)陌踩嘤?xùn)和個(gè)人防護(hù)設(shè)備的情況下不應(yīng)觸摸哪些部件。

盡管48V不被視為高電壓，但電弧等現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)增加導(dǎo)致48V連接器需要進(jìn)行顏色編碼，淺藍(lán)色是首選。

這一建議的根源可以追溯到叉車。多年來(lái)，電動(dòng)叉車一直依賴不同電壓的電池，因此制定了電池連接器的顏色指南，以避免使用錯(cuò)誤的電池。如今，用于48V連接的藍(lán)色連接器標(biāo)準(zhǔn)已被許多行業(yè)采用，并且很可能用于48V汽車連接器和電線。