【導(dǎo)讀】目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)對(duì)于整車(chē)低壓48V電源系統(tǒng)有很大的熱情， 48V并不是一個(gè)全新的技術(shù)，在過(guò)去幾年無(wú)論是燃油車(chē)還是新能源車(chē)都有使用48V作為輔助電源，以下我們對(duì)整車(chē)12V及48V電源系統(tǒng)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
48V電源系統(tǒng)介紹
目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)對(duì)于整車(chē)低壓48V電源系統(tǒng)有很大的熱情， 48V并不是一個(gè)全新的技術(shù)，在過(guò)去幾年無(wú)論是燃油車(chē)還是新能源車(chē)都有使用48V作為輔助電源，以下我們對(duì)整車(chē)12V及48V電源系統(tǒng)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
傳統(tǒng)燃油車(chē)以12V作為主要的低壓電源系統(tǒng)，為了降低碳排放，在原來(lái)12V系統(tǒng)上增加了一套48V電源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，提供輔助的動(dòng)力輸出，就是我們的輕混車(chē)系統(tǒng)，但是這套系統(tǒng)增加了一定的成本。
純電車(chē)也以12V作為主要的電源系統(tǒng)，但是隨著整車(chē)功能越來(lái)越豐富，有些純電車(chē)增加了一套單獨(dú)的48V電源系統(tǒng)，給一些大功率的負(fù)載（例如電子防傾桿，主動(dòng)懸架等）提供電能。這些功能大大提升了終端用戶的使用體驗(yàn)，但是同樣帶來(lái)了整車(chē)系統(tǒng)成本的上升。
隨著整車(chē)功能越來(lái)越復(fù)雜，電壓系統(tǒng)的功率需求越來(lái)越大，為了降低大功率低壓系統(tǒng)的成本，一些主機(jī)廠提出了整車(chē)低壓系統(tǒng)從12V升級(jí)到48V。但是目前由于48V的供應(yīng)鏈還沒(méi)有完全成熟，不得不保留一部分的12V系統(tǒng)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主機(jī)廠主要研究的是12V和48V混合的電源架構(gòu)。
48V收益分析
48V電源系統(tǒng)相比于12V系統(tǒng)電壓上升了4倍，根據(jù)簡(jiǎn)單的P=UI公式，對(duì)于相同功率的應(yīng)用電流將變?yōu)樵瓉?lái)的1/4。整車(chē)工作電流的降低為整車(chē)帶來(lái)很多收益，以下內(nèi)容將從電流減小后帶來(lái)的收益進(jìn)行討論。整車(chē)成本的變化是一個(gè)系統(tǒng)性的話題，本文只是從48V系統(tǒng)產(chǎn)生的收益方面進(jìn)行分析，整車(chē)采用48V后還存在很多挑戰(zhàn)，并不能從本文評(píng)估出48V系統(tǒng)的整車(chē)成本的變化。
降低線束成本
整車(chē)的線束線徑是根據(jù)其通過(guò)的電流來(lái)決定的，電流越大需要使用越粗的線束。以1kW應(yīng)用為例進(jìn)行分析，12V系統(tǒng)線束上會(huì)流過(guò)83.3A的電流，需要大約10mm2的線束；48V系統(tǒng)線束上流過(guò)20.8A的電流即可，對(duì)應(yīng)需要大約1.5mm2的線束。因?yàn)槭褂昧烁?xì)的線束，線束成本將會(huì)大大減少。我們以銅價(jià)來(lái)簡(jiǎn)單估算一下10米線束的成本變化：
10mm2的線束中銅的重量按照89.6g/m來(lái)估算，那么10米線束中銅的重量為896g，
1.5mm2的線束中銅的重量按照13.44g/m來(lái)估算，那么10米線束中銅的重量為134g。
按照0.075元/克銅價(jià)估計(jì)，48V相對(duì)于12V來(lái)說(shuō)10米線束將節(jié)省85%（57.15元）的成本。
如果考慮整車(chē)最小線徑的限制，通過(guò)計(jì)算整車(chē)不同功率的線束長(zhǎng)度，即可估算出整車(chē)改為48V后所有線束節(jié)省的成本。
更低的功率損耗
CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle）續(xù)航里程測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的平均車(chē)速為28.96km/h，假如某車(chē)的CLTC續(xù)航里程為700km，整個(gè)CLTC續(xù)航里程的測(cè)試時(shí)間為24小時(shí)，那么車(chē)輛行駛時(shí)的功率損耗每減少41W（1kWh/24h），相同的CLTC續(xù)航里程，整車(chē)動(dòng)力電池就可以減少1度。降低整車(chē)的功率損耗不僅可以簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)，減少碳排放，增加續(xù)航里程，還可以降低整車(chē)動(dòng)力電池成本。
48V系統(tǒng)可以降低整車(chē)功率損耗也主要是因?yàn)殡娏鞯拿黠@減少。還是以1kW應(yīng)用為例，對(duì)10米線束上的功率損耗進(jìn)行分析：
10mm2線束的線阻為1.82mΩ/m，流過(guò)83.3A電流，10米線束產(chǎn)生的功率損耗達(dá)到126W；
1.5mm2線束的線阻為12.7mΩ/m，流過(guò)20.8A電流，10米線束產(chǎn)生的功率損耗達(dá)到55W；
1kW應(yīng)用的10米線束，線上的功率損耗可以降低56%（減少71W），對(duì)應(yīng)的動(dòng)力電池可以減少1.73度。如果48V使用更粗的線束，雖然會(huì)增加一些線束成本，但是可以增加續(xù)航里程或者減少動(dòng)力電池成本。具體如何平衡線束成本和功率損耗，需要做更詳細(xì)的數(shù)據(jù)評(píng)估。
除了減少線束上的功率損耗，整車(chē)所有用電設(shè)備的功率損耗都會(huì)隨著電流的減小而有明顯的降低（P=I2R），包括MOSFET，DCDC，高邊開(kāi)關(guān)等等。
更靈活的功率器件選擇
從12V系統(tǒng)改為48V系統(tǒng)，所有和48V相關(guān)的半導(dǎo)體器件耐壓都要增加，半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造工藝都要升級(jí)，無(wú)疑會(huì)帶來(lái)一部分的成本上升。但是對(duì)于通過(guò)較大電流的功率器件（75W以上），相同功率條件下根據(jù)P=I2R，電流減小為原來(lái)1/4，那么可以選擇原來(lái)16倍Rdson的半導(dǎo)體器件。
還是以1kW應(yīng)用舉例，假如12V應(yīng)用中選擇Rdson低于0.15mΩ的MOSFET，那么48V同功率應(yīng)用可以選擇Rdson低于2.4mΩ的MOSFET。功率器件的選擇更多，對(duì)于更大功率的應(yīng)用也不需要MOSFET并聯(lián)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。如果48V系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇更低Rdson的功率器件來(lái)減少半導(dǎo)體器件上的功率損耗，不僅可以增加續(xù)航里程還可以減少熱設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
更簡(jiǎn)單的熱設(shè)計(jì)和電流設(shè)計(jì)
功率越高汽車(chē)用電設(shè)備的熱設(shè)計(jì)越復(fù)雜。48V系統(tǒng)的電流減小后，對(duì)應(yīng)用電設(shè)備的熱功率也變得更低，使得整車(chē)的熱設(shè)計(jì)變得更容易。原來(lái)12V大功率的用電設(shè)備必須使用金屬熱沉甚至水冷，改用48V系統(tǒng)后可以使用普通的塑料外殼。不僅減少了功率損耗，節(jié)省了材料成本，還可以降低整車(chē)的重量。 超過(guò)100A的大電流接插件成本很高，甚至無(wú)法找到合適的接插件，對(duì)于12V系統(tǒng)中超過(guò)1kW的應(yīng)用需要特殊的接插件和線束支持，如果改為48V系統(tǒng)，原來(lái)100A的電流降低為25A，接插件的成本會(huì)更低，同時(shí)接插件的可選擇性會(huì)多。當(dāng)然還要考慮48V接插件需要提高耐電化學(xué)腐蝕的特性，防止電弧等新的特性要求。但是總體來(lái)說(shuō)48V使得大功率的接插件選型更容易。
減輕整車(chē)重量
線束，接插件和散熱片的設(shè)計(jì)和使用都會(huì)影響到整車(chē)重量，而這些零件的選型和設(shè)計(jì)與其流過(guò)的電流有直接相關(guān)。隨著48V系統(tǒng)的電流減少，整車(chē)的重量會(huì)有比較明顯的降低。相關(guān)研究表明，新能源汽車(chē)每減少100Kg重量，續(xù)航里程可提升10%-11%，還可以減少20%的電池成本以及20%的日常損耗成本。現(xiàn)在的電動(dòng)車(chē)車(chē)重越來(lái)越大，整車(chē)輕量化同時(shí)可以簡(jiǎn)化很多線控底盤(pán)功能（轉(zhuǎn)向，制動(dòng)，懸架）的開(kāi)發(fā)，由此可見(jiàn)整車(chē)輕量化是未來(lái)的必然趨勢(shì)。
由前面線束的分析可以看出，48V電源系統(tǒng)可以使用更細(xì)的線束，意味著整車(chē)線束質(zhì)量會(huì)有比較明顯的降低。1kW應(yīng)用的10米線束，銅線的重量從896g降低為134g，重量減輕了85%。
更低成本的大功率功能開(kāi)發(fā)
汽車(chē)的功能越來(lái)越多，有些新功能的功率需求很大。對(duì)于大于1kW的應(yīng)用，需要特殊的線束，接插件和散熱設(shè)計(jì)，甚至更大的功率根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。只有提高系統(tǒng)電壓，才可以支持更多的功能，同時(shí)大大降低大功率系統(tǒng)的成本。隨著汽車(chē)品牌向上的需求，未來(lái)整車(chē)會(huì)需要更大的功率來(lái)增加車(chē)輛功能，提升品牌形象。
英飛凌的48V半導(dǎo)體產(chǎn)品
英飛凌針對(duì)48V的應(yīng)用不僅在汽車(chē)行業(yè)，還在服務(wù)器和通信電源領(lǐng)域擁有多年的客戶應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)積累了豐富的48V半導(dǎo)體器件。隨著整車(chē)功能的增加尤其是線控底盤(pán)等技術(shù)的發(fā)展，低壓系統(tǒng)的輸出功率要求越來(lái)越大，48V電源系統(tǒng)將會(huì)成為未來(lái)重要的技術(shù)方向之一。英飛凌作為汽車(chē)行業(yè)領(lǐng)先的半導(dǎo)體廠商，不僅可以為48V應(yīng)用提供電源芯片，高邊開(kāi)關(guān)，Gate Driver，橋驅(qū)芯片和MOSFET等半導(dǎo)體器件，還可以為客戶提供48V智能配電，HV-48V DCDC，48V-12V DCDC，48V線控底盤(pán)控制器，48V熱管理控制器等系統(tǒng)級(jí)的解決方案和技術(shù)支持。英飛凌現(xiàn)有的48V半導(dǎo)體器件和Demo板可以滿足目前大部分的48V應(yīng)用需求，并且可以支持OEM和Tier1做快速評(píng)估。
但未來(lái)的48V依然面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)：48V電壓標(biāo)準(zhǔn)不完善限制了新的48V半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)，尤其耐壓的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件影響很大，原有小功率執(zhí)行器（水泵等）采用LIN通訊在48V平臺(tái)上急需低成本平替方案，48V的爬電距離不僅會(huì)影響PCB板的設(shè)計(jì)還會(huì)影響到半導(dǎo)體器件的封裝。從整車(chē)角度48V的電弧的檢測(cè)和抑制更加重要，同時(shí)12V和48V混合電源系統(tǒng)，任意一個(gè)單點(diǎn)失效不能使48V和12V短路，整車(chē)接地和走線也會(huì)變得更加復(fù)雜。未來(lái)英飛凌會(huì)針對(duì)這些挑戰(zhàn)開(kāi)發(fā)更多的48V半導(dǎo)體器件，推動(dòng)48V技術(shù)的發(fā)展。
（本文作者：Jaylen Fu，Andre Mourrier；文章來(lái)源：英飛凌汽車(chē)電子生態(tài)圈）
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