在本文中，德州仪器将讨论电动车辆和混合动力车辆对48V低压轨系统的日益关注，以及工程师如何利用它们在实现新功能的同时，缩小线束尺寸并降低成本。

引言

在最近与汽车制造商的对话中，48V低压轨被频繁提及。但为什么是现在？48V系统并不是新事物。多年来，其一直在帮助提高轻度混合动力电动车辆(MHEV)的效率和性能。

48V系统再次受到关注，可能与电池电动车辆(BEV)和混合动力车辆(HEV)的日益普及有关。通过高压电池产生48V电压的电动车辆或混合动力车辆可以实现48V系统的一个重要优势：增加48V低压轨可以缩减整车供电线束的规格，并降低电源开关和电机驱动器等下游半导体元件的负载电流要求。因此，48V系统可提供比12V系统更强的功率，为增加人工智能或迷你冰箱等功能提供了机会。

BEV原始设备制造商(OEM)正在寻求优化BEV成本、重量和续航里程的方法。从电气角度看，通过区域架构减少线束，或者使用48V低压轨进行配电，将有可能解决这三个问题。20世纪初，在电气/电子(E/E)系统的功率需求迫使市场转向12V之前，汽车行业使用6V电压轨供电。如今，功能丰富的车辆正在逼近12V电压轨的极限。从12V转向48V会带来挑战，但也将为采用48V低压轨的OEM带来机遇。

48V系统在MHEV与BEV中的应用

20世纪90年代末，人们曾经推动采用42V E/E系统。但由于缺乏高效电机，OEM放弃了这种方法，市场转向使用高压起动发电机的MHEV。因此，虽然MHEV是“首批”48V系统，但它们仅使用48V电池和小型电机来辅助ICE，以降低油耗并提高效率。

在MHEV中，为E/E系统供电的主要低压轨仍为12V，需要在48V和12V电压轨之间配置大型双向转换器，这显著增加了成本负担。相比之下，全混合动力车辆(HEV)、插电式混合动力车辆(PHEV)和BEV可以使用高压电池创建48V低压轨，为整个E/E系统供电。

由于车型和平台有限，未来的BEV平台成为了OEM部署48V汽车系统的主要目标。向电动车辆的过渡也增加了对HEV和PHEV的投资。图1概述了不同车辆类型之间的差异。

图1：车辆动力总成类型概述

减少线束

减少线束的首次重大尝试是引入区域架构，如图2中所示，该架构根据位置而不是功能对配电、通信和负载驱动进行分组，从而优化车辆布线。区域架构通过使用智能半导体保险丝替代传统的熔断式保险丝来进行配电，并充当从中央计算机到传感器、执行器和电子控制单元(ECU)的通信网关，从而减少了车辆布线。

图2：第一代区域架构

在下一代区域架构中加入48V低压轨可进一步减轻线束重量，并降低成本。48V低压轨可缩减线缆规格，减少线束中的功率损耗，还可能减小印刷电路板(PCB)的尺寸，因为在提供相同功率的情况下，电流将降低（例如，在12V下需要100%的电流，相比之下，48V低压轨仅需25%的电流）。图3说明了从12V转换到48V的优势。

图3：从12V到48V使得线束减少

在图3中，区域控制模块需要100A才能在12V电压下提供1,200W功率。相比之下，48V低压轨仅需25A就能提供1,200W的功率。通过将电压提升至四倍，并将电流降低四分之一，可将线束成本和重量降低85%。对于窗口电机，12V下的20A电流将变为48V下的5A电流，这将节省60%的成本并减少52%的线材重量。随着负载电流要求的降低，转向48V所带来的线束优势也会相应减少。

尽管转向48V的主要好处是缩减线缆规格，但线缆成本并非唯一因素。如今，在车辆上安装美国线缆规格(AWG) 4号等粗规格线缆需要投入大量劳动力。通过缩减48V系统中的线缆规格，将使采用自动化制造流程安装线束成为可能，从而显著降低成本。

48V架构

在为48V架构优化线束时，OEM需要评估不同的架构。图4至图6展示了实现48V低压轨时的三种选项：48V主配电和12V本地配电、48V配电和12V配电，或仅12V配电和48V高电流负载。

图4：48V架构（48V主配电，12V本地配电）

图5：48V和12V配电—ZCM 48V和12V

图6：12V主配电，48V高电流负载

对于48V设计，破坏性最小的方法是使用48V电压轨为高电流负载供电，并将其他所有负载维持在12V。48V和12V可分配给区域控制模块或其他ECU，但这种方法会带来一些挑战。两种不同电压的分配使线束布线成为一个关键因素，因为在同一线束中布设12V和48V可能导致从12V到48V系统之间出现短路。对功能安全的考量也会增加成本，因为可能需要冗余的12V和48V电源。

更激进的设计变更是直接采用48V配电架构，并根据需要在本地生成12V轨。带有本地12V电压的48V配电是一种最佳架构，能够实现转换至48V的全部优势，因为它最大限度地减少了线束尺寸和成本。

在带有本地12V电压的48V配电中，有许多不同的选项，可用于在ECU上形成本地12V电压轨，或用于选择完全不同的电压（25V、16V、5V、3.3V）。图7为48V系统提供了两种可能的电源架构：分布式12V和集中式12V。

图7：在ECU处进行的从48V向其他电压的转换

在分布式架构中，多个功率要求较低的DC/DC转换器可为不同的负载组生成12V电压轨。这种方法可以使用集成了金属氧化物半导体场效应晶体管的DC/DC转换器，还可以自由选择电压（如48V至3.3V），并改善PCB上的热分布。如果OEM希望重复使用现有的12V设计，集中式12V电压轨是更容易实现的方案。在此架构中，一个始终开启的DC/DC转换器为功能安全关键负载供电，而另一个对功率要求较高的DC/DC转换器则为12V系统的其余部分供电。另一种选项是使用双向48V至12V DC/DC转换器，让电机的反电动势或12V电压轨的正瞬变电压能量流回48V电源轨。

48V系统的设计挑战

采用48V低压轨时，面临的设计挑战包括瞬变电压、爬电距离和电气间隙要求、电磁兼容性(EMC)标准，以及集成电路(IC)成本。

瞬变电压是48V系统中的主要讨论话题。如今，12V系统已经广为人知，国际标准化组织(ISO) 16750-2等标准规定了最严苛工况（如负载突降）下的电压瞬变曲线。而对于48V系统，现行标准（ISO 21780和Liefervorschriften [LV] 148）是专门针对要求过电压点高达70V的MHEV制定的。但是，如果考虑到开关瞬变或元件裕量，元件额定电压将远高于70V。

MHEV标准虽然可以用作起点，但对于不使用大功率起动发电机系统，而是通过高压电池生成48V电压的电动或混合动力系统而言，这些标准不一定适用。有关BEV 48V低电压网的具体标准仍在制定中，但OEM可能会开始制定自有标准，以将线路瞬变电压控制在70V以下。图8将潜在的BEV标准与现有的ISO 21780标准进行了比较。

图8：潜在BEV标准和ISO 21780的瞬变电压对比

虽然60V和70V之间的差异看似微小，但适应更高电压的IC成本并不一定呈线性增长。此外，即使有可能限制电源电压范围，但仍然必须考虑可能发生的线束故障模式事件，而现行标准（如 ISO 7637-2）已对此进行了规范。

爬电距离与电气间隙要求是指根据行业标准，对PCB上所有导电部件之间最短距离的测量。当两点之间的电压超过击穿电压时，会产生电弧，而爬电距离与电气间隙是防止电弧的关键设计参数。存在多种不同的爬电距离与电气间隙标准（国际电工委员会60664-1与印制电路协会2221A），而OEM甚至可能有自己的内部指导。从12V升级到48V将提升爬电距离与电气间隙要求，直接影响IC封装、PCB布局，以及线束连接器等。

48V系统的一个更细微影响是，虽然有助于减少传导损耗，但开关损耗会增加。这一点在针对开关电源转换器（如DC/DC转换器和电机驱动器）的EMC测试中将产生重要影响。将电压(VDS)从12V提高到48V可以降低电流(IDS)。但是，如果48V系统中的转换率(tR + tF)仍与12V系统相同，那么功率开关损耗(PSW)将变为四倍。

虽然还有更多的因素会影响开关损耗，但图9说明了在48V系统中，转换率如何影响开关损耗。

图9：开关损耗对EMC的影响

结语

48V系统可以缩减线束的重量和规格，从而节省线材的实际铜成本和制造成本。无论是在IC级别还是系统级别，采用48V都会带来许多优势和挑战，从而以某种方式影响成本。OEM将决定集成48V系统的时机和方式，以最大限度地提高优势并降低成本。最近的车辆创新证明了，市场和半导体供应商已经为48V系统做好了准备。