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汽車行業(yè)正經(jīng)歷深刻變革，從傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車向電氣化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化方向轉(zhuǎn)型。這一轉(zhuǎn)型正在推動下一代汽車架構(gòu)的發(fā)展，包括軟件定義汽車（SDV），并持續(xù)重塑現(xiàn)有電子電氣(E/E)系統(tǒng)和整車供電架構(gòu)。
本文概述了12V、24V和48V汽車電氣系統(tǒng)的發(fā)展歷程。從早期6V電池系統(tǒng)發(fā)展到當(dāng)今用于輕度混合動力汽車和電動汽車的48V系統(tǒng)的歷程。同時重點介紹了48V系統(tǒng)在在線束減重和效率提升等方面的優(yōu)勢，并討論了電磁兼容性、電弧抑制和瞬態(tài)過壓等技術(shù)挑戰(zhàn)。
引言
早期汽車依靠磁電機進行發(fā)動機點火并使用燃?xì)獯鬅簦⑽磁鋫鋵Ｓ玫碾姵毓╇婋姎庀到y(tǒng)。20世紀(jì)20年代至20世紀(jì)50年代，6V電池被廣泛應(yīng)用于汽車電氣系統(tǒng)。1 隨著汽車配備的發(fā)動機功率和壓縮比的不斷提高，6V電池?zé)o法提供足夠的啟動功率，也難以滿足電子電氣(E/E)系統(tǒng)日益增長的電力需求。自20世紀(jì)50年代以來，12V系統(tǒng)逐漸成為汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2 進入21世紀(jì)后，48V輕混系統(tǒng)開始應(yīng)用于混動總成，通過能量回收和再生制動提高整車效率。3 隨著行業(yè)向更高電壓架構(gòu)演進，全車48V電氣架構(gòu)于2023年開始進入量產(chǎn)階段。4
車用12V、24V和48V電池
汽車電氣系統(tǒng)通常采用12V、24V和48V電池。12V電池主要用于乘用車，24V電池主要用于重型卡車、工程車輛以及其他商用車輛。而48V電池用于輕度混動汽車并為小型電機供電。目前，48V電池也開始在純電動汽車的低壓系統(tǒng)供電。
圖1展示了簡化的電驅(qū)動總成架構(gòu)。傳統(tǒng)汽車（即內(nèi)燃機汽車）使用交流發(fā)電機為輔助電池充電。相比之下，混動汽車通過48V或高壓(HV，定義為≥200V)電池為輔助電池充電。配備48V主電池的混動車型通常被稱為輕度混動汽車。插電式混動汽車集成了高壓電池，并具備車載充電功能。完全由高壓電池驅(qū)動的汽車被歸類為純電動汽車(BEV)。
圖1：簡化的動力系統(tǒng)：(a)內(nèi)燃機汽車，(b)混動汽車（無車載充電器）或插電式混動汽車（帶車載充電器），(c)純電動汽車
汽車電氣系統(tǒng)的進步與挑戰(zhàn)
汽車行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新，不斷推動車輛性能提升、座艙體驗升級以及安全性能增強。一項顯著的進展是混動汽車的推出，旨在降低油耗并提高整體效率。高分辨率顯示屏與先進座艙平臺的集成顯著改善了用戶界面，為駕駛員和乘客提供更豐富、更直觀的座艙體驗。
此外，自動駕駛技術(shù)的發(fā)展進一步推動了雷達和攝像頭等感知系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。并且提升了安全性和整體駕駛體驗。隨著傳感器、高性能系統(tǒng)級芯片(SoC)平臺、計算單元和各種電子模塊的不斷增加，持續(xù)優(yōu)化了駕駛動態(tài)和安全功能，也對整車供電系統(tǒng)的要求也持續(xù)提升，為汽車電源架構(gòu)帶來了新的挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)12V系統(tǒng)的局限性
歷史上，持續(xù)增長的車載電力需求推動了從6V到12V系統(tǒng)的過渡；如今，類似的增長趨勢再度對12V架構(gòu)的能力邊界提出挑戰(zhàn)。自動駕駛技術(shù)的快速擴展和對汽車網(wǎng)聯(lián)化的日益重視。電子控制單元(ECU)、傳感器、信息娛樂模塊和安全系統(tǒng)數(shù)量的增加，整體電力需求大幅上升。因此，汽車工程領(lǐng)域面臨一系列新挑戰(zhàn)，同時也迎來了進一步創(chuàng)新的機遇。
由于技術(shù)進步和高功耗元件的廣泛使用，現(xiàn)代汽車的低壓系統(tǒng)功率需求現(xiàn)已達到1.2kW至4kW。5 圖2展示了上述發(fā)展過程，描繪了汽車應(yīng)用中低壓系統(tǒng)功率需求的演變。
圖2：汽車低壓系統(tǒng)功率需求演變示例6–8
48V系統(tǒng)優(yōu)勢
48V系統(tǒng)能夠有效的支撐現(xiàn)代電氣架構(gòu)，能夠通過替代傳統(tǒng)機械和液壓系統(tǒng)（如線控轉(zhuǎn)向(2kW)和線控制動(2kW)技術(shù)）來滿足日益增長的電力需求。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向和制動機構(gòu)相比，線控轉(zhuǎn)向和線控制動系統(tǒng)提供更高的舒適性、安全性和車輛動態(tài)性能。先進的電氣系統(tǒng)減少了座艙空間占用和整車重量，使內(nèi)飾設(shè)計更具靈活性，并有助于提高燃油效率。此外，新型電氣系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地響應(yīng)駕駛員的控制輸入。
隨著電力需求持續(xù)增長，采用48V E/E系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。48V E/E系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一是電流較傳統(tǒng)12V系統(tǒng)顯著降低。電流降至原來的四分之一后，線束重量和印刷電路板(PCB)尺寸均得以減小。此外，線束功率損耗也隨之降低，因為更細(xì)的導(dǎo)線電阻更低且電流更小，從而提高了效率。
根據(jù)美國線規(guī)(AWG)系統(tǒng)規(guī)范5–6，圖3對12V和48V線束進行了總體比較。除考慮最大功率傳輸外，確保導(dǎo)線電阻引起的壓降保持在3%以下也至關(guān)重要。這意味著導(dǎo)線電阻對12V系統(tǒng)的影響比對48V系統(tǒng)更為關(guān)鍵。根據(jù)銅的密度(8.96g/cm3)和成本($11.11/kg)，可以輕松計算出導(dǎo)線的重量和價格。
圖3：12V與48V（2kW）線束的比較
48V系統(tǒng)的挑戰(zhàn)
48V系統(tǒng)在電源管理IC層面的設(shè)計挑戰(zhàn)包括：電磁兼容性(EMC)、電弧抑制和瞬態(tài)過壓保護。
電磁兼容性
硬開關(guān)過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓(dv/dt)和電流(di/dt)會對開關(guān)穩(wěn)壓器的EMC產(chǎn)生負(fù)面影響。電磁干擾(EMI)通常分為差模干擾和共模干擾：前者主要由寄生電感和瞬態(tài)電流引起，后者主要源于寄生電容和瞬態(tài)電壓。如圖4所示，半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷過程會產(chǎn)生瞬態(tài)電壓、電流及功率損耗。比較12V和48V系統(tǒng)可知，48V系統(tǒng)的dv/dt更高，而12V系統(tǒng)的di/dt更高。雖然12V系統(tǒng)的導(dǎo)通損耗更大，但48V系統(tǒng)的開關(guān)損耗顯著更高，導(dǎo)致開關(guān)過程中的寄生能量增加。上述情況可能在開關(guān)節(jié)點處引發(fā)更大振鈴幅度，從而惡化EMI性能。
圖4：開關(guān)功率損耗
爬電距離和電氣間隙
為了在48V汽車電氣架構(gòu)中抑制電弧現(xiàn)象，必須嚴(yán)格遵守高于傳統(tǒng)12V系統(tǒng)的先進絕緣、機械和環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。電壓升高會增加因電場強度增大而產(chǎn)生持續(xù)電弧的風(fēng)險，電弧溫度可能高達數(shù)千攝氏度，加速端子、鍍層和連接器外殼的老化。為確保系統(tǒng)可靠性，連接器解決方案必須按照IEC 60664-1及相關(guān)汽車低壓標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，精確設(shè)計爬電距離和電氣間隙，以防止在正常和污染條件下沿絕緣表面或通過空氣發(fā)生放電。此外，在汽車應(yīng)用中采用48V系統(tǒng)也提高了IC、PCB和其他元件的爬電距離及電氣間隙要求，以防止導(dǎo)體間發(fā)生意外漏電。圖5展示了連接器內(nèi)部的爬電距離和電氣間隙路徑。圖6展示了IC內(nèi)部的爬電距離和電氣間隙路徑。
圖5：連接器爬電距離和電氣間隙
圖6：ADA4530-1的IC爬電距離和電氣間隙
瞬態(tài)過壓與浪涌
在汽車系統(tǒng)中，應(yīng)對瞬態(tài)過壓與浪涌對于保護敏感半導(dǎo)體元件至關(guān)重要。兩項分別針對12V和24V系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 7637-2和ISO 16750-2，定義了對于瞬態(tài)過壓與浪涌的防護要求。11 圖7展示了ISO 16750-2規(guī)范下施加于12V和24V電源軌的測試脈沖波形。通常采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)將12V電源軌限制在35V，將24V電源軌限制在58V。
圖7：ISO 16750-2示例
ISO 21780定義了48V電源軌電壓范圍，要求過壓耐受能力達70V，盡管開關(guān)瞬態(tài)可能超過此水平。圖8展示了電壓范圍，圖9展示了短時過壓曲線。
圖8：ISO 21780瞬態(tài)電壓
圖9：ISO 21780測試03：拋負(fù)載
結(jié)語
48V系統(tǒng)能夠顯著降低線束重量和成本，并提升整車供電能力，是未來汽車電氣架構(gòu)的重要發(fā)展方向。然而，EMC、電弧抑制、爬電距離設(shè)計以及瞬態(tài)過壓防護等挑戰(zhàn)仍需重點關(guān)注。隨著軟件定義汽車和高階自動駕駛功能的快速發(fā)展，車企正在積極評估并規(guī)劃向48V架構(gòu)的轉(zhuǎn)型路徑。
