48V 系統：隨著汽車製造商告別 12V 系統，您需要瞭解什麼？

今天，在提高內燃機和輕混合動力車輛的效率及效能方面，48V 電源系統已經開始發揮作用，但它們將成為未來電動汽車的必備技術。

閱讀本文，您將瞭解：

• 汽車製造商最終為什麼從 12V 遷移到 48V 汽車附件電源系統。
• 汽車製造商及其供應商必須克服的技術挑戰。
• 48V 汽車電源系統的架構選擇和需要遵守的標準。

12V 汽車電源系統已經主導汽車行業 70 多年，但它已經開始讓位於 48V 系統。高功率版本可帶來許多優勢，包括使用更細、更輕、成本更低的線束提供更大的功率。這樣的系統也相對便宜，因為它們不需要滿足所謂的高壓系統（額定電壓超過 62V）的更嚴格的安全和效能要求。

儘管有這些長期優勢，但從短期內看，改造車輛、生產線和支持它們的供應鏈，需要投入大量精力和投資。這些因素延遲了 48V 電源系統的廣泛普及，導致該技術現時只用於少數產品。

然而最近，由於越來越多的耗電子系統（如主動懸架和電動助力轉向）的採用，以及製造商減輕重量和降低成本的壓力，汽車製造商已經開始越來越多地採用 48V。市場上的電動汽車（EV）越來越多，它們依賴電源系統來完成各種操作，因此採用 48V 電源系統的更多優勢開始顯現。

幸運的是，有幾種架構支持在同一輛汽車中同時使用 12V 和 48V 電源系統。¹它們允許在需要的地方使用現有的“傳統”電子設備，使過渡變得更加容易。

在本文中，我們將探討一些技術問題。 在將下一代卡車、轎車和其它車輛過渡到 48V 系統的過程中，設計師將面臨並需要克服這些問題。

緩慢的出現

48V 汽車電源系統問世已有很長時間，主要用於驅動越野車和其它專用車輛中的大型泵和執行器。過去十年左右，它的身影開始出現在乘用車和工作車輛中，用於降低驅動電動增壓器、主動懸架系統和其它耗電功能所需的電流。

最近，提高燃油經濟性的監管壓力不斷增加，促使製造商使用48V系統來減輕車輛內燃機的直接負載。這通過其它高功率協助工具的電氣化來實現，例如電動助力轉向、空調和冷卻泵。

至少在理論上，遷移到 48V 附件母線也提供了一種經濟的管道，以生產被稱作“輕混動力”汽車的過渡產品。輕混合動力汽車使用一個相對較小的傳統發動機，輔以一個 48V 的電機，可以在加速和再生制動過程中提供額外的扭矩，並在車輛滑行或等紅燈時支持自動啟停功能。

輕混合動力汽車的協助工具相對較弱，因此效率提升遠遠不及全混動力汽車。然而，它們可以輕鬆集成到現有的燃油車設計中，而且生產成本的新增通常不到 1000 美元。

雖然輕混動力汽車幫助新增了對 48V 部件的需求，但預計它們將在即將面世的新一代電動汽車中發揮更大作用，因為這些汽車必須用電驅動所有協助工具。這包括電動助力轉向和制動、主動懸架、冷卻泵和空調壓縮機，其中任何一個的峰值負載都可能達到數千瓦。

過渡到 48V 電源系統，可以大大降低汽車線束為大功率子系統供電所需的電流大小，因此允許使用更輕、更細、更便宜的電線。例如，通過12英尺的線束輸送 950W 的 12V 電力（79A）需要一根 4AWG 的電線，重量大約為 2kg（4.1 磅）。相比之下，使用 48V 電源為同樣的 950W 負載供電，可以使用 10AWG 的電線，重量僅為 0.24kg（0.5 磅多），重量減輕了 85%（圖 2）。

除了減輕重量和節省成本，過渡到 48V 電源系統還可以顯著降低電阻損耗，而這可能直接影響電動汽車的續航里程。再看看前面的例子，我們發現切換到更高的電壓（更小的電流），可以將線束的電阻損耗從 40W 降低到只有 5.8W。 乘以一般電動汽車中使用的大功率子系統的數量，可以將車輛的重量減輕 100 到 150 磅，同時大幅度减少電阻損耗，使續航里程新增約 10 千米。

向 48V 系統的漸進式過渡

到目前為止，從即將推出的 CyberTruck 開始，特斯拉似乎是唯一一家完全採用 48V 電源的汽車製造商。接下來，公司將進行一系列設計修改，在幾款現有車型中停用 12V 母線。 據報導，除了前面提到的優勢之外，特斯拉已經組建了自己的“秘密”附件團隊，專門開發面向 48V 架構的產品，如照明、絞盤和空氣壓縮機。²

然而，修改設計、生產線和供應鏈會產生很高的成本；大多數其他汽車製造商將不得不將這些成本分攤到更長時間內。

在預期的 10 到 15 年的 48V 電源系統過渡期間，許多車輛將繼續使用現有的 12V 附件和子系統。這些附件和子系統工作良好，而且立即進行改造的成本太高。這可以通過在整個汽車中繼續使用傳統的 12V 線束來實現。

然而，更實用的方法是實施分佈式供電架構，例如 Vicor 開發的供電架構（圖 2）。在分佈式系統中，車輛的 48V 電源來自汽車的 400/800V 主電池，然後輸送到靠近負載點的 12V 電源轉換器。制動、轉向和其它 ASIL D 關鍵安全功能的冗餘電源可以通過兩個或更多獨立、相互隔離的電壓轉換器來提供。³

過渡到 48V 電源架構還引出了一個問題，即 48V 電源從哪裡來。在特斯拉的例子中，公司選擇通過一個獨立的小型鋰離子輔助電池來為 48V 母線供電——該電池通過汽車的主電池組充電。

另外，一些製造商可能會選擇創建一個“虛擬”電池，消除對單獨的 48V 電池的需要。該虛擬電池由低阻抗轉換器、穩壓器和小型儲存設備（如超級電容器）組成。這將為門鎖及在主電池斷開時必須保持開啟狀態的其它系統提供持續電源。

開始

特定製造商向 48V 過渡的細節將各不相同，具體取決於他們的產品、技術成熟度和所服務客戶的需求。但是，開始這一旅程的幾乎任何人都可以受益於與他們將使用的技術相關的基本標準和設計實踐。 這包括：

• 對於配備以 48V_DC 的額定電壓運行的電力系統的道路車輛，ISO 21780⁴ 規定了所使用的電力和電子元件的要求及測試。這包括 48V_DC 電力系統的一般要求、電壓範圍、慢速電壓瞬變和波動（不包括 EMC）。
• VDA 建議 320⁵ 由 ZVEI-德國電力和電子製造商協會發佈和維護。它涵蓋了汽車電力和電子元件的一系列規範和測試要求，用於開發 48V 電源。ZVEI 的檔案《48V 電氣系統-鋪平電動出行之路的關鍵技術》⁶ 提供了有關 VDA 320 提出的要求及其實施情況的實用見解。

參考文獻

1. 使用汽車 400V 電池提供 12V 電源，3.6kW DC-DC 轉換器參考設計，德州儀器。
2. “《為什麼說特斯拉向 48V 電源架構的轉變將改變行業遊戲規則》，Tim James，The Driven，2023 年 3 月 20 日。
3. ASIL D 安全概念評估的高速牽引，雙向 DC-DC 轉換參考設計，德州儀器。
4. 《ISO 21780:2020-道路車輛-48V 供電電壓-電氣要求和測試》，國際標準組織，2020 年。
5. 《VDA 320：汽車中 48V 車載電源系統的電氣和電子元件要求及測試》，德國電力和電子製造商協會，2016 年。
6. 《48V 電源系統-鋪平電動出行之路的關鍵技術》，德國電力和電子製造商協會，2016 年。