汽車電氣化時(shí)代到來(lái)已是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，不過(guò)怎么實(shí)現(xiàn)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、卡車、公交車及摩托車主機(jī)廠都在對(duì)其車輛實(shí)施電氣化，以提高內(nèi)燃機(jī)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(shù)主機(jī)廠都沒(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(tǒng) 12V 電池之外，還新增了一個(gè) 48V 電池。
1. 傳統(tǒng) 12V 配電已是小馬拉大車
現(xiàn)在大多數(shù)汽車仍然在使用電流 300 安培的 12V 為車載電器供電，隨著汽車上越來(lái)越多的新的耗電型電子驅(qū)動(dòng)和功能的增加（電動(dòng)啟停、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、電動(dòng)懸架、電動(dòng)渦輪增壓、變速空調(diào)，以及音響系統(tǒng)、加熱座椅和可隨動(dòng)轉(zhuǎn)向照亮黑暗彎道的前照燈），傳統(tǒng) 12V 配電總線只能勉強(qiáng)為牽引電機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)提供所需能量。
更重要的是，隨著自動(dòng)駕駛車輛的出現(xiàn)，激光雷達(dá)、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(tǒng)，對(duì)配電系統(tǒng)提出了更高要求。這類處理器非常耗電，使傳統(tǒng)汽車 12V 配電總線無(wú)能為力。即使是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），12V 電氣系統(tǒng)已不能提供所需的能量。未來(lái)的車載計(jì)算機(jī)會(huì)消耗上千瓦電力，讓 12V 系統(tǒng)的功率消耗殆盡。因此，無(wú)論是現(xiàn)在的混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車，還是未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車，都需要 48V 系統(tǒng)來(lái)承受高耗能的負(fù)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 總線配電有哪些優(yōu)勢(shì)？業(yè)界的一些觀點(diǎn)歸納如下：
·增加動(dòng)力，減少排放。功率的增加可以使內(nèi)燃機(jī)更有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，幫助主機(jī)廠更快地滿足排放法規(guī)要求。已經(jīng)推出的具有啟停功能的輕混動(dòng)力汽車，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)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)力車的電機(jī)用于補(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)能量，不能單獨(dú)為汽車提供動(dòng)力。
支持傳統(tǒng) 12V 系統(tǒng)的 48V 電氣系統(tǒng)
·回收儲(chǔ)存能量。48V 系統(tǒng)采用大容量鋰電池和再生制動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)再生制動(dòng)或恢復(fù)制動(dòng)，可將汽車減速時(shí)損耗的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)在 48V 大容量電池中，并能利用回收的能量支持內(nèi)燃機(jī)的電氣裝置。再生制動(dòng)可以在由停車變?yōu)榧铀傩旭倳r(shí)，將所存儲(chǔ)的能量用于推動(dòng)車輛前行，從而實(shí)現(xiàn)比通常更快的速度。
·滿足大功率用電。48V 系統(tǒng)汽車不會(huì)發(fā)生人們抱怨的 12V 系統(tǒng)汽車熄火時(shí)暖通空調(diào)（HVAC）斷電的情形。對(duì)于穩(wěn)定性控制或空調(diào)壓縮機(jī)等依靠大電流的負(fù)載，48V 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)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(chǔ)的能量可隨時(shí)用于車窗除霜或加熱座椅。現(xiàn)在，越來(lái)越多主機(jī)廠正在使用新型紅外發(fā)熱板直接供熱，而不浪費(fèi)電能來(lái)加熱汽車的其余部分。但是，紅外發(fā)熱板的挑戰(zhàn)在于每個(gè)座椅需要約 500 瓦功率，這幾乎是 12V 電氣系統(tǒng)所無(wú)法承受的。
因此，對(duì) 48V 總線配電的需求越來(lái)越明顯，但 48V MHEV 要想在未來(lái)一段時(shí)間化解汽車電氣化難題，仍需借助供應(yīng)鏈源頭半導(dǎo)體廠商一臂之力。
3. 眾多主機(jī)廠試水 48V 系統(tǒng)
英飛凌汽車電子事業(yè)部副總裁兼高功率業(yè)務(wù)線總經(jīng)理 Stephan Zizala 博士認(rèn)為：“未來(lái)十年，全世界大多數(shù)新生產(chǎn)的汽車都將實(shí)現(xiàn)部分或完全電氣化。市場(chǎng)調(diào)研表明，2020 年到 2030 年，采用 48V 供電系統(tǒng)和 MHEV 系統(tǒng)的車型產(chǎn)量有可能增加十倍以上。我們所能做的是為輕混動(dòng)力汽車的強(qiáng)勁增長(zhǎng)做好準(zhǔn)備�！�
Stephan Zizala：為輕混動(dòng)力車強(qiáng)勁增長(zhǎng)做好準(zhǔn)備
根據(jù) Navigant 的預(yù)測(cè)，2025 年全球新車銷量中 48V MHEV 動(dòng)力車可能占據(jù) 14%的市場(chǎng)份額，而汽油或或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)份額將減至 65%。
目前，48V MHEV 市場(chǎng)已出現(xiàn)一大批重要玩家，既有 Tier 1，也有主機(jī)廠。如博世、大陸、德?tīng)柛�、法雷奧、奧地利 AVL、日立汽車、舍弗勒、福特、通用、菲亞特、克萊斯勒、豐田汽車、日產(chǎn)、本田、奔馳、寶馬、奧迪、現(xiàn)代汽車、三菱汽車、馬自達(dá)、斯巴魯?shù)�；�?guó)內(nèi)的吉利、長(zhǎng)安、北汽、江淮、長(zhǎng)城等企業(yè)也都在布局 48V 系統(tǒng)車型。
不管是哪種類型的汽車，要在未來(lái)引領(lǐng)市場(chǎng)，就要實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體器件，而汽車的電力系統(tǒng)更是重中之重。
4. 混合動(dòng)力引擎創(chuàng)新案例
2022 年，頗負(fù)盛名的英國(guó)房車錦標(biāo)賽（BTCC）將增加一個(gè)新的維度，成為業(yè)界首個(gè)采用 MHEV 汽車的大型房車錦標(biāo)賽。賽事使用全新德?tīng)査囘\(yùn)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(jī)，不僅減輕了重量，而且提高了可靠性。
BTCC 即將推出 MHEV 錦標(biāo)賽
BTCC 規(guī)定，車手可以戰(zhàn)術(shù)性地使用電機(jī)提升車輛性能，并提高車輛加速能力。為此，Delta Motorsport 設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓系統(tǒng)。電池組為逆變器 - 電機(jī)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(zhuǎn)換器可為汽車的所有電路和設(shè)備供電。這種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功率密度和電源管理水平無(wú)需使用交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，從而進(jìn)一步減輕重量，提高性能與可靠性。
Delta Motorsport 工程總監(jiān) Nick Carpenter 表示，該系統(tǒng)利用模塊化供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）實(shí)現(xiàn)了小體積、輕重量和高性能。混合動(dòng)力系統(tǒng)的三相無(wú)刷電機(jī)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(jī)，并將電機(jī)產(chǎn)生的再生電力返回到電池。
Nick Carpenter：模塊化 PDN 可以實(shí)現(xiàn)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(jī)以純電動(dòng)模式（僅電機(jī)，無(wú)內(nèi)燃機(jī)）驅(qū)動(dòng)車輛，然后當(dāng)駕駛員要求在比賽中提升性能時(shí)，電機(jī)以 MHEV 模式（與內(nèi)燃機(jī)一起）驅(qū)動(dòng)車輛�！�
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(tǒng)：可控制所有電池電壓，并確保電池在與電機(jī) - 逆變器控制器通信的同時(shí)，隨時(shí)處理可能出現(xiàn)的最大充電和放電電壓。根據(jù)電池充電狀態(tài)（SoC），系統(tǒng)不斷計(jì)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(tǒng)還可實(shí)時(shí)監(jiān)控所有可用電池的溫度，并將結(jié)果反饋到可用的功率計(jì)算中。此外，如果出現(xiàn)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(zhuǎn)換器供電，后者共同提供高達(dá) 92 安培的 13.8V 穩(wěn)壓電源（功率約 1.2 千瓦）。負(fù)載由四個(gè)轉(zhuǎn)換器共擔(dān)，盡管只用三個(gè)轉(zhuǎn)換器（即 N+1 或航空級(jí)冗余）就可以完全支持負(fù)載。
混合動(dòng)力布局
·DC-DC 轉(zhuǎn)換器：電源系統(tǒng)使用四個(gè) Vicor DCM3623 隔離式穩(wěn)壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 ChiP（封裝級(jí)轉(zhuǎn)換器）電源模塊，從電池組提供 13.8V 穩(wěn)壓輸出，電流最高可達(dá) 92 安培。由于其外形小巧，轉(zhuǎn)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(tǒng)的數(shù)據(jù)日志和診斷可記錄 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的性能，檢查故障狀態(tài)，提供車輛所有準(zhǔn)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(cè)試中表現(xiàn)優(yōu)異，無(wú)需降額運(yùn)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(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)，DCM 模塊的可擴(kuò)展性和易于并聯(lián)實(shí)現(xiàn)了模塊化電源架構(gòu)，讓 Delta 在不犧牲功率的前提下實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器 Vicor PI3105，為電池組電子設(shè)備供電，以便在與車輛電源隔離時(shí)維持安全系統(tǒng)運(yùn)行；還允許電子設(shè)備的供電獨(dú)立于車輛，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)檢查的遠(yuǎn)程連接。
5. 比對(duì) 12V 與 48V 供電網(wǎng)絡(luò)
未來(lái)的汽車將不可避免地需要更小、更輕及更高效的電源產(chǎn)品來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的性能需求。隨著主機(jī)廠轉(zhuǎn)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(yīng)用工程總監(jiān) Paul Yeaman 認(rèn)為，48V 的高密度和高效率對(duì)汽車動(dòng)力至關(guān)重要。他說(shuō)：“對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，48V MHEV 系統(tǒng)是快速推出排放更低、行駛里程更遠(yuǎn)、油耗更低的全新車輛的捷徑。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(shè)計(jì)選項(xiàng)�！�
Paul Yeaman：48V MHEV 系統(tǒng)是快速車輛創(chuàng)新的捷徑
對(duì)比一下傳統(tǒng) 12V 集中式架構(gòu)和 48V 分布式架構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)，集中式 48V-12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器（SilverBox）大多很笨重，線束也很粗重，因?yàn)槭褂玫氖禽^早的低頻率開(kāi)關(guān) PWM 拓?fù)�。此外，它們也�?huì)為大量關(guān)鍵動(dòng)力總成系統(tǒng)帶來(lái)單點(diǎn)故障。
傳統(tǒng) 12V 集中式配電架構(gòu)
48V 分布式架構(gòu)
而采用模塊化電源組件的分布式
供電架構(gòu)使用更小、更低功耗的 48-12V 轉(zhuǎn)換器為 12V 負(fù)載的車輛配電。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(tǒng)相比，對(duì)于給定功率級(jí)而言，48V 系統(tǒng)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(gòu)還有顯著的熱管理及電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢(shì)。
效率 94%和 98%的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器
Yeaman 說(shuō)：“引入 48V MHEV 系統(tǒng)，一旦完成設(shè)計(jì)，主機(jī)廠就會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，克服對(duì)長(zhǎng)期存在的 12V 供電網(wǎng)絡(luò)改造的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn)。改變供電通常需要經(jīng)過(guò)大量測(cè)試的新技術(shù)，而且可能還需要尊崇汽車產(chǎn)業(yè)的高安全性及高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)供電的全新供應(yīng)商�！�
6. 混動(dòng)和純電動(dòng)車都可用
增加 48V 電池，可以為動(dòng)力總成及底盤(pán)系統(tǒng)負(fù)載供電，為工程師提供各種選項(xiàng)。不過(guò)，現(xiàn)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(jī)等原有 12V 機(jī)電負(fù)載，無(wú)需通過(guò)穩(wěn)壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 48V 轉(zhuǎn)換成 12V。
為了管理變革與風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有 MHEV 供電系統(tǒng)在增加 48V 負(fù)載的同時(shí)，仍使用數(shù)千瓦的大型集中式 48V 至 12V 轉(zhuǎn)換器，將整個(gè)汽車的 12V 電源提供給 12V 負(fù)載。然而，這種集中式架構(gòu)不僅沒(méi)有完全利用 48V PDN 的優(yōu)勢(shì)，而且也沒(méi)有利用現(xiàn)在可用的高級(jí)轉(zhuǎn)換器拓?fù)�、控制系統(tǒng)與封裝的優(yōu)勢(shì)。
Vicor 全球汽車業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁 Patrick Wadden 認(rèn)為：“使用高密度積木式設(shè)計(jì)的 48V 分布式電源架構(gòu)才是更具優(yōu)勢(shì)的做法。而且，不管是混動(dòng)還是純電動(dòng)車都可以使用這樣的方法�！�
Patrick Wadden：密度積木式設(shè)計(jì)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(shì)是高度可擴(kuò)展性。
•混合動(dòng)力車：根據(jù)不同分布式負(fù)載的電源分析，可以設(shè)計(jì)一個(gè)模塊并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)功率粒度及擴(kuò)展性認(rèn)證，用于并行陣列擴(kuò)展。通過(guò)使用分布式模塊代替大型集中式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，能夠以顯著降低的成本實(shí)現(xiàn) N+1 冗余。如果在汽車開(kāi)發(fā)階段負(fù)載功率有變，該方法依然有優(yōu)勢(shì)。工程師可以增減模塊，無(wú)需對(duì)整個(gè)已完成定制電源進(jìn)行修改。另一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，因?yàn)槟K已獲得了相應(yīng)認(rèn)證。
混合動(dòng)力車的模塊化方法
•純電動(dòng)汽車：由于動(dòng)力總成和底盤(pán)系統(tǒng)的高功率需求，需要使用高壓電池。48V SELV（安全特低電壓）PDN 對(duì)主機(jī)廠來(lái)說(shuō)仍然有很大好處，但是，現(xiàn)在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨著一個(gè)額外的挑戰(zhàn)，即高功率 800V 或 400V 至 48V 的轉(zhuǎn)換。
由于 400V 或 800V 配電的安全性要求，這種高壓隔離轉(zhuǎn)換器的分散非常困難而昂貴。然而，可利用電源模塊設(shè)計(jì)一種大功率集中式定比轉(zhuǎn)換器來(lái)代替大型 SilverBox DC-DC 轉(zhuǎn)換器。
那么，就可以使用適當(dāng)粒度和可擴(kuò)展性級(jí)別的電源模塊，然后很容易并聯(lián)起來(lái)滿足一系列具有不同動(dòng)力系統(tǒng)和底盤(pán)電氣化要求的車輛。
純電動(dòng)車的模塊化方法
7.48V 系統(tǒng)的未來(lái)
在汽車市場(chǎng)上，48V 電源技術(shù)正在迅速發(fā)展，以充分滿足純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車以及輕度混合動(dòng)力汽車的需求。分布式模塊化的汽車供電架構(gòu)可簡(jiǎn)化復(fù)雜的供電挑戰(zhàn)，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(tǒng)能以 30%的成本提供完全混合動(dòng)力汽車 70%的好處，特別是在節(jié)能減排方面效果不錯(cuò)。 |
