汽車(chē)電氣化時(shí)代到來(lái)已是一個(gè)不爭的事實(shí)，不過(guò)怎么實(shí)現卻是眾說(shuō)紛紜：純電動(dòng)（EV）、混合動(dòng)力（HEV）、插電式混合動(dòng)力（PHEV）、48V 輕混動(dòng)力（MHEV）和重混動(dòng)力（HEV），還有燃料電池，不一而足。
在全球環(huán)保壓力下，轎車(chē)、卡車(chē)、公交車(chē)及摩托車(chē)主機廠(chǎng)都在對其車(chē)輛實(shí)施電氣化，以提高內燃機的燃油效率，減少二氧化碳排放。
盡管電氣化選擇很多，但大多數主機廠(chǎng)都沒(méi)有選擇完全混合動(dòng)力（Full-hybrid）總成，而是選擇了 48V MHEV，除了使用傳統 12V 電池之外，還新增了一個(gè) 48V 電池。
1. 傳統 12V 配電已是小馬拉大車(chē)
現在大多數汽車(chē)仍然在使用電流 300 安培的 12V 為車(chē)載電器供電，隨著(zhù)汽車(chē)上越來(lái)越多的新的耗電型電子驅動(dòng)和功能的增加（電動(dòng)啟停、電動(dòng)轉向、電動(dòng)懸架、電動(dòng)渦輪增壓、變速空調，以及音響系統、加熱座椅和可隨動(dòng)轉向照亮黑暗彎道的前照燈），傳統 12V 配電總線(xiàn)只能勉強為牽引電機和制動(dòng)系統提供所需能量。
更重要的是，隨著(zhù)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的出現，激光雷達、攝像頭和超聲波傳感器等都需要高性能圖形處理器來(lái)收集、解釋、集成和解釋的系統，對配電系統提出了更高要求。這類(lèi)處理器非常耗電，使傳統汽車(chē) 12V 配電總線(xiàn)無(wú)能為力。即使是高級駕駛員輔助系統（ADAS），12V 電氣系統已不能提供所需的能量。未來(lái)的車(chē)載計算機會(huì )消耗上千瓦電力，讓 12V 系統的功率消耗殆盡。因此，無(wú)論是現在的混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車(chē)，還是未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)，都需要 48V 系統來(lái)承受高耗能的負載。
2. 為什么是 48V 技術(shù)？
既然問(wèn)為什么，就要說(shuō)說(shuō)作為一種顛覆性技術(shù)的 48V 總線(xiàn)配電有哪些優(yōu)勢？業(yè)界的一些觀(guān)點(diǎn)歸納如下：
·增加動(dòng)力，減少排放。功率的增加可以使內燃機更有效地運轉，幫助主機廠(chǎng)更快地滿(mǎn)足排放法規要求。已經(jīng)推出的具有啟停功能的輕混動(dòng)力汽車(chē)，可以使發(fā)動(dòng)機在滑行、制動(dòng)或停止時(shí)暫時(shí)關(guān)閉，然后迅速重新啟動(dòng)，提供部分動(dòng)力。輕混動(dòng)力車(chē)的電機用于補充內燃機能量，不能單獨為汽車(chē)提供動(dòng)力。
支持傳統 12V 系統的 48V 電氣系統
·回收儲存能量。48V 系統采用大容量鋰電池和再生制動(dòng)系統，通過(guò)再生制動(dòng)或恢復制動(dòng)，可將汽車(chē)減速時(shí)損耗的動(dòng)能轉換為電能，存儲在 48V 大容量電池中，并能利用回收的能量支持內燃機的電氣裝置。再生制動(dòng)可以在由停車(chē)變?yōu)榧铀傩旭倳r(shí)，將所存儲的能量用于推動(dòng)車(chē)輛前行，從而實(shí)現比通常更快的速度。
·滿(mǎn)足大功率用電。48V 系統汽車(chē)不會(huì )發(fā)生人們抱怨的 12V 系統汽車(chē)熄火時(shí)暖通空調（HVAC）斷電的情形。對于穩定性控制或空調壓縮機等依靠大電流的負載，48V 系統可實(shí)現安全和舒適的功能，在性能和效率上更勝一籌。
·利用剩余能量。存儲的能量可隨時(shí)用于車(chē)窗除霜或加熱座椅�，F在，越來(lái)越多主機廠(chǎng)正在使用新型紅外發(fā)熱板直接供熱，而不浪費電能來(lái)加熱汽車(chē)的其余部分。但是，紅外發(fā)熱板的挑戰在于每個(gè)座椅需要約 500 瓦功率，這幾乎是 12V 電氣系統所無(wú)法承受的。
因此，對 48V 總線(xiàn)配電的需求越來(lái)越明顯，但 48V MHEV 要想在未來(lái)一段時(shí)間化解汽車(chē)電氣化難題，仍需借助供應鏈源頭半導體廠(chǎng)商一臂之力。
3. 眾多主機廠(chǎng)試水 48V 系統
英飛凌汽車(chē)電子事業(yè)部副總裁兼高功率業(yè)務(wù)線(xiàn)總經(jīng)理 Stephan Zizala 博士認為：“未來(lái)十年，全世界大多數新生產(chǎn)的汽車(chē)都將實(shí)現部分或完全電氣化。市場(chǎng)調研表明，2020 年到 2030 年，采用 48V 供電系統和 MHEV 系統的車(chē)型產(chǎn)量有可能增加十倍以上。我們所能做的是為輕混動(dòng)力汽車(chē)的強勁增長(cháng)做好準備�！�
Stephan Zizala：為輕混動(dòng)力車(chē)強勁增長(cháng)做好準備
根據 Navigant 的預測，2025 年全球新車(chē)銷(xiāo)量中 48V MHEV 動(dòng)力車(chē)可能占據 14%的市場(chǎng)份額，而汽油或或柴油發(fā)動(dòng)機的市場(chǎng)份額將減至 65%。
目前，48V MHEV 市場(chǎng)已出現一大批重要玩家，既有 Tier 1，也有主機廠(chǎng)。如博世、大陸、德?tīng)柛�、法雷奧、奧地利 AVL、日立汽車(chē)、舍弗勒、福特、通用、菲亞特、克萊斯勒、豐田汽車(chē)、日產(chǎn)、本田、奔馳、寶馬、奧迪、現代汽車(chē)、三菱汽車(chē)、馬自達、斯巴魯等；國內的吉利、長(cháng)安、北汽、江淮、長(cháng)城等企業(yè)也都在布局 48V 系統車(chē)型。
不管是哪種類(lèi)型的汽車(chē)，要在未來(lái)引領(lǐng)市場(chǎng)，就要實(shí)現更高的效率，同時(shí)減小體積和重量，降低成本，所以必須采用高效率的功率半導體器件，而汽車(chē)的電力系統更是重中之重。
4. 混合動(dòng)力引擎創(chuàng )新案例
2022 年，頗負盛名的英國房車(chē)錦標賽（BTCC）將增加一個(gè)新的維度，成為業(yè)界首個(gè)采用 MHEV 汽車(chē)的大型房車(chē)錦標賽。賽事使用全新德?tīng)査?chē)運動(dòng)公司（Delta Motorsport）智能功率密集型電池組，無(wú)需使用交流發(fā)電機，不僅減輕了重量，而且提高了可靠性。
BTCC 即將推出 MHEV 錦標賽
BTCC 規定，車(chē)手可以戰術(shù)性地使用電機提升車(chē)輛性能，并提高車(chē)輛加速能力。為此，Delta Motorsport 設計了新的電池組和相關(guān)電子產(chǎn)品。全新的 48V 鋰離子電池組采用創(chuàng )新型智能電源管理及高功率密度 DC-DC 轉換器和穩壓系統。電池組為逆變器 - 電機組合供電，并使用其產(chǎn)生的再生電力，同時(shí)高功率密度轉換器可為汽車(chē)的所有電路和設備供電。這種架構實(shí)現的功率密度和電源管理水平無(wú)需使用交流發(fā)電機系統，從而進(jìn)一步減輕重量，提高性能與可靠性。
Delta Motorsport 工程總監 Nick Carpenter 表示，該系統利用模塊化供電網(wǎng)絡(luò )（PDN）實(shí)現了小體積、輕重量和高性能�；旌蟿�(dòng)力系統的三相無(wú)刷電機通過(guò)雙向逆變器連接電池，雙向逆變器將電池電源輸送至電機，并將電機產(chǎn)生的再生電力返回到電池。
Nick Carpenter：模塊化 PDN 可以實(shí)現小體積、輕重量和高性能
他介紹說(shuō)：“在最初前往維修道的限速行駛過(guò)程中，電機以純電動(dòng)模式（僅電機，無(wú)內燃機）驅動(dòng)車(chē)輛，然后當駕駛員要求在比賽中提升性能時(shí)，電機以 MHEV 模式（與內燃機一起）驅動(dòng)車(chē)輛�！�
看看電池組智能與管理有哪些創(chuàng )新？
·電池組及電池管理系統：可控制所有電池電壓，并確保電池在與電機 - 逆變器控制器通信的同時(shí)，隨時(shí)處理可能出現的最大充電和放電電壓。根據電池充電狀態(tài)（SoC），系統不斷計算并向控制器提供電池能夠提供或接受電流量的更新信息，在低 SoC 下降低功率需求，而在高 SoC 下限制再生發(fā)電。系統還可實(shí)時(shí)監控所有可用電池的溫度，并將結果反饋到可用的功率計算中。此外，如果出現問(wèn)題，它可以打開(kāi)接觸器，安全地隔離電池組。
控制和電源管理
·供電網(wǎng)絡(luò )：用 48VDC 電源為四個(gè)并聯(lián)的 DC-DC 轉換器供電，后者共同提供高達 92 安培的 13.8V 穩壓電源（功率約 1.2 千瓦）。負載由四個(gè)轉換器共擔，盡管只用三個(gè)轉換器（即 N+1 或航空級冗余）就可以完全支持負載。
混合動(dòng)力布局
·DC-DC 轉換器：電源系統使用四個(gè) Vicor DCM3623 隔離式穩壓 DC-DC 轉換器 ChiP（封裝級轉換器）電源模塊，從電池組提供 13.8V 穩壓輸出，電流最高可達 92 安培。由于其外形小巧，轉換器安裝在與延伸到電池單元之間直接熱接觸的微孔冷卻板上。電池管理系統的數據日志和診斷可記錄 DC-DC 轉換器的性能，檢查故障狀態(tài)，提供車(chē)輛所有準確電流量的反饋。
ChiP 電源模塊
這一模塊化電源組件在最初的電池組測試中表現優(yōu)異，無(wú)需降額運行，也沒(méi)有電壓驟降。供電網(wǎng)絡(luò )將最大體積留給了供電的電池單元，而不是電源組件本身，這一點(diǎn)至關(guān)重要。因此，該供電網(wǎng)絡(luò )展現出了極大的優(yōu)勢，DCM 模塊的可擴展性和易于并聯(lián)實(shí)現了模塊化電源架構，讓 Delta 在不犧牲功率的前提下實(shí)現了所需的小尺寸 DC-DC PDN 定制。
Delta 還采用了一種用于不間斷電源（UPS）的小型 60W 隔離式轉換器 Vicor PI3105，為電池組電子設備供電，以便在與車(chē)輛電源隔離時(shí)維持安全系統運行；還允許電子設備的供電獨立于車(chē)輛，以實(shí)現系統檢查的遠程連接。
5. 比對 12V 與 48V 供電網(wǎng)絡(luò )
未來(lái)的汽車(chē)將不可避免地需要更小、更輕及更高效的電源產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足日益增長(cháng)的性能需求。隨著(zhù)主機廠(chǎng)轉向能夠處理高功率的 48V 電池，模塊化方法可以通過(guò)更小、更輕的線(xiàn)纜和連接器提高供電網(wǎng)絡(luò )效率，從而降低功耗和重量。
Vicor 應用工程總監 Paul Yeaman 認為，48V 的高密度和高效率對汽車(chē)動(dòng)力至關(guān)重要。他說(shuō)：“對汽車(chē)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，48V MHEV 系統是快速推出排放更低、行駛里程更遠、油耗更低的全新車(chē)輛的捷徑。它還為提高性能并減少二氧化碳排放提供了令人興奮的全新設計選項�！�
Paul Yeaman：48V MHEV 系統是快速車(chē)輛創(chuàng )新的捷徑
對比一下傳統 12V 集中式架構和 48V 分布式架構，不難發(fā)現，集中式 48V-12V DC-DC 轉換器（SilverBox）大多很笨重，線(xiàn)束也很粗重，因為使用的是較早的低頻率開(kāi)關(guān) PWM 拓撲。此外，它們也會(huì )為大量關(guān)鍵動(dòng)力總成系統帶來(lái)單點(diǎn)故障。
傳統 12V 集中式配電架構
48V 分布式架構
而采用模塊化電源組件的分布式
供電架構使用更小、更低功耗的 48-12V 轉換器為 12V 負載的車(chē)輛配電。通過(guò)簡(jiǎn)單的功率方程式 P = V • I 和 PLOSS = I2R 就可以知道為什么 48V 配電比 12V 更高效。
與 12V 系統相比，對于給定功率級而言，48V 系統電流低四倍、功耗低 16 倍。在 1/4 電流下，電纜和連接器更小、更輕，成本也更低。此外，分布式電源架構還有顯著(zhù)的熱管理及電源系統冗余優(yōu)勢。
效率 94%和 98%的 DC-DC 轉換器
Yeaman 說(shuō)：“引入 48V MHEV 系統，一旦完成設計，主機廠(chǎng)就會(huì )有很大的優(yōu)勢。當然，克服對長(cháng)期存在的 12V 供電網(wǎng)絡(luò )改造的猶豫可能是最大的挑戰。改變供電通常需要經(jīng)過(guò)大量測試的新技術(shù)，而且可能還需要尊崇汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高安全性及高質(zhì)量標準供電的全新供應商�！�
6. 混動(dòng)和純電動(dòng)車(chē)都可用
增加 48V 電池，可以為動(dòng)力總成及底盤(pán)系統負載供電，為工程師提供各種選項。不過(guò)，現在的選擇是，既可以直接處理 48V 輸入，也可以保留泵、風(fēng)扇和電機等原有 12V 機電負載，無(wú)需通過(guò)穩壓 DC-DC 轉換器將 48V 轉換成 12V。
為了管理變革與風(fēng)險，現有 MHEV 供電系統在增加 48V 負載的同時(shí)，仍使用數千瓦的大型集中式 48V 至 12V 轉換器，將整個(gè)汽車(chē)的 12V 電源提供給 12V 負載。然而，這種集中式架構不僅沒(méi)有完全利用 48V PDN 的優(yōu)勢，而且也沒(méi)有利用現在可用的高級轉換器拓撲、控制系統與封裝的優(yōu)勢。
Vicor 全球汽車(chē)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁 Patrick Wadden 認為：“使用高密度積木式設計的 48V 分布式電源架構才是更具優(yōu)勢的做法。而且，不管是混動(dòng)還是純電動(dòng)車(chē)都可以使用這樣的方法�！�
Patrick Wadden：密度積木式設計分布式電源才是最佳做法
分布式供電的模塊化方法的最大優(yōu)勢是高度可擴展性。
•混合動(dòng)力車(chē)：根據不同分布式負載的電源分析，可以設計一個(gè)模塊并對其進(jìn)行適當功率粒度及擴展性認證，用于并行陣列擴展。通過(guò)使用分布式模塊代替大型集中式 DC-DC 轉換器，能夠以顯著(zhù)降低的成本實(shí)現 N+1 冗余。如果在汽車(chē)開(kāi)發(fā)階段負載功率有變，該方法依然有優(yōu)勢。工程師可以增減模塊，無(wú)需對整個(gè)已完成定制電源進(jìn)行修改。另一個(gè)設計優(yōu)勢是縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，因為模塊已獲得了相應認證。
混合動(dòng)力車(chē)的模塊化方法
•純電動(dòng)汽車(chē)：由于動(dòng)力總成和底盤(pán)系統的高功率需求，需要使用高壓電池。48V SELV（安全特低電壓）PDN 對主機廠(chǎng)來(lái)說(shuō)仍然有很大好處，但是，現在電力系統設計者面臨著(zhù)一個(gè)額外的挑戰，即高功率 800V 或 400V 至 48V 的轉換。
由于 400V 或 800V 配電的安全性要求，這種高壓隔離轉換器的分散非常困難而昂貴。然而，可利用電源模塊設計一種大功率集中式定比轉換器來(lái)代替大型 SilverBox DC-DC 轉換器。
那么，就可以使用適當粒度和可擴展性級別的電源模塊，然后很容易并聯(lián)起來(lái)滿(mǎn)足一系列具有不同動(dòng)力系統和底盤(pán)電氣化要求的車(chē)輛。
純電動(dòng)車(chē)的模塊化方法
7.48V 系統的未來(lái)
在汽車(chē)市場(chǎng)上，48V 電源技術(shù)正在迅速發(fā)展，以充分滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)以及輕度混合動(dòng)力汽車(chē)的需求。分布式模塊化的汽車(chē)供電架構可簡(jiǎn)化復雜的供電挑戰，從而提高性能和生產(chǎn)力，縮短上市時(shí)間。
還有最重要的一點(diǎn)，輕混動(dòng)力 48V 系統能以 30%的成本提供完全混合動(dòng)力汽車(chē) 70%的好處，特別是在節能減排方面效果不錯。 |
