一文讀懂48V電源輕混系統(tǒng)架構(gòu)

48V系統(tǒng)的誕生

汽車(chē)在1918年引入蓄電池，到1920年逐漸普及，當(dāng)時(shí)的電池電壓是6V。后來(lái)，隨著內(nèi)燃機(jī)排量的增加以及高壓縮比內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，6V系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需求，于是在1950年引入了12V系統(tǒng)。大多數(shù)汽車(chē)使用電流300安培的12V為車(chē)載電器供電，隨著汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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。由于越來(lái)越多的耗電子系統(tǒng)（如主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）的采用，以及制造商減輕重量和降低成本的壓力，汽車(chē)制造商已經(jīng)開(kāi)始越來(lái)越多地采用48V。市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車(chē)（EV）越來(lái)越多，它們依賴電源系統(tǒng)來(lái)完成各種操作，因此采用48V電源系統(tǒng)的更多優(yōu)勢(shì)開(kāi)始顯現(xiàn)。

48V輕混的誕生

2011年，Audi, BMW,Daimler, Porsche, Volkswagen聯(lián)合推出48V系統(tǒng)，以滿足日益增長(zhǎng)的車(chē)載負(fù)載需求，更重要的是為了滿足2020年嚴(yán)格的排放法規(guī)。并在隨后發(fā)布了48V系統(tǒng)規(guī)范LV148。為什么是48V呢？因?yàn)?0V是安全電壓，也就是說(shuō)只要低于60V的電壓不需要采取額外的安全防護(hù)措施，48V電池的充電電壓最高56V，已經(jīng)很接近60V，即48V電池電壓是安全電壓下的最高電壓等級(jí)了。 48V電源系統(tǒng)比12V電源系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存更多電量，在配備啟停系統(tǒng)的車(chē)上可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，減少出現(xiàn)電池電量過(guò)低而頻繁起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)充電的情況（如果不充電就無(wú)法起到發(fā)動(dòng)機(jī)了），從而避免浪費(fèi)過(guò)多的燃油。

48V輕混系統(tǒng)架構(gòu)

添加48V電池為較重的動(dòng)力總成和底盤(pán)系統(tǒng)負(fù)載供電，為工程師提供了選擇?，F(xiàn)在，可以選擇添加一些系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以直接處理48V輸入，或者通過(guò)穩(wěn)壓DC / DC轉(zhuǎn)換器將48V轉(zhuǎn)換為12V，從而保留傳統(tǒng)的12V機(jī)電負(fù)載（如泵，風(fēng)扇和電動(dòng)機(jī)）。為了應(yīng)對(duì)變化和風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有的輕度混合動(dòng)力輸電系統(tǒng)正在緩慢增加48V負(fù)載，但仍使用大型集中式高功率48V至12V轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)饋入12V負(fù)載。但是，這種集中式架構(gòu)并沒(méi)有充分利用48V PDN的優(yōu)勢(shì)，也沒(méi)有利用現(xiàn)有的高級(jí)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/8966/" target="_blank">控制系統(tǒng)和封裝的優(yōu)勢(shì)。

48V輕混系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

1. 低于60V安全電壓，不需要采取額外的電壓防護(hù)，相對(duì)高壓混動(dòng)系統(tǒng)，成本更低；2. 相對(duì)于12V系統(tǒng)，相同功率下工作電流只有1/4，損耗只有12V系統(tǒng)的1/16； 3. 由于BSG/ISG的電功率輔助，可以進(jìn)一步縮小發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，進(jìn)而降低排放；4. 可以將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上的高負(fù)載附件電動(dòng)化，比如空調(diào)壓縮機(jī)、冷卻水泵、真空泵等，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉的情況下，這些設(shè)備也能工作；5. 將車(chē)載電器工作電壓提升到48V，可以進(jìn)一步降低損耗，同時(shí)可以降低線束外徑；6. 可以支持更大功率的車(chē)載設(shè)備。7. 可以渦輪電動(dòng)化，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，并且不會(huì)有渦輪增壓器延遲現(xiàn)象；8. BSG/ISG點(diǎn)火時(shí)間更短，更低噪音和更小震動(dòng)。

9. 48V Belt Starter Generator (BSG) 容易替代原有的12V Belt Starter Generator，無(wú)需大幅更改設(shè)計(jì)即可配套。

特斯拉轉(zhuǎn)向48伏電氣架構(gòu)

在48V系統(tǒng)面世十幾年之后，世界上第一輛低壓電全48V的量產(chǎn)汽車(chē)誕生了，它就是特斯拉Cybertruck。這也就意味著Cybertruck上完全摒棄了12V低壓系統(tǒng)，特斯拉需要把所有車(chē)上的用電設(shè)備都納入到48V的工作范疇之中。

之所以這樣做，主要是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)12V架構(gòu)中，接線和組件必須更大、更重，才能處理高電力負(fù)載。例如，Cybertruck上出現(xiàn)的全線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對(duì)電器系統(tǒng)的需求很高，48V架構(gòu)可以更有效地適應(yīng)高負(fù)載，此時(shí)的12V架構(gòu)就成為了累贅，不如索性全部采用48V。特斯拉 Cybertruck 的 48 伏系統(tǒng)創(chuàng)新地集成了線控轉(zhuǎn)向（SBW）技術(shù)，這一應(yīng)用在量產(chǎn)車(chē)中尚屬首次，尤其是不依賴傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向軸的車(chē)型。

Cybertruck的電子電氣架構(gòu)

Cybertruck采用的是Zone ECU的方式，只不過(guò)各個(gè)Zone之間的連接不再是CAN線，而是采用的Ethernet的雙絞線，48V DC供電和數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)這一個(gè)Cable來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸只是借用了Ethernet的理念，且采用Daisy Chain Ring環(huán)形連接，即使1個(gè)ECU掉線了，也可以保證其他的ECU能正常通信。

Cybertruck的48V低壓架構(gòu)圖如下所示，紅色所示都是其低壓區(qū)域。

48V優(yōu)勢(shì)

第一，48V系統(tǒng)能夠更有效地應(yīng)對(duì)高負(fù)荷，更高效，性能提升方面來(lái)看，48V系統(tǒng)的電壓級(jí)別提高，同等電流情況下，功率提高4倍，等功率下的功率損失較12V系統(tǒng)減少也非常可觀。更低的功率損會(huì)讓電氣系統(tǒng)的總體效率大大提升，解除了功率限制，也可以對(duì)車(chē)用電器進(jìn)行更精細(xì)的控制，提升其性能。 第二，更好的操縱性，由于線束連接的減少，車(chē)身設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔，性能更加穩(wěn)定，減少了線束的大小和重量，尤其是對(duì)于低功耗部件。這不僅使得車(chē)輛更高效，還提高了車(chē)輛的操控性和生產(chǎn)效率。第三，更輕量化。由于48V系統(tǒng)使用的是更小的電流，所以其線束和相關(guān)組件的體積可以更小，使得整個(gè)系統(tǒng)的重量更輕。最早的Model S車(chē)身內(nèi)包含了長(zhǎng)達(dá)3km的線束，而如今，使用新的模塊化線束專利后的Model S，其線束長(zhǎng)度將縮減至100m。第四，這一系統(tǒng)在提高動(dòng)力傳輸效率和處理更高電氣負(fù)荷的同時(shí)，還能降低整體重量，從而獲得更大的效率提升。第五，更好的拓展性。對(duì)于電動(dòng)車(chē)的可拓展性而言，特斯拉開(kāi)始使用48V系統(tǒng)以后，在電氣領(lǐng)域和通信架構(gòu)領(lǐng)域出現(xiàn)了新的動(dòng)向，48V區(qū)域架構(gòu)正在成為提高電動(dòng)汽車(chē)性能和效率的關(guān)鍵技術(shù)。48V的加入也提高了可拓展的多樣性。對(duì)于購(gòu)買(mǎi)新能源的消費(fèi)者而言，可拓展性是一個(gè)非常重要的考慮因素，48V系統(tǒng)則可以很好地滿足這一需求，使更多的車(chē)型可以享受到其帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

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