汽車48V電氣系統(tǒng)的用途和市場(chǎng)趨勢(shì)

早期汽車的 12V 電氣系統(tǒng)只能滿足點(diǎn)火和基本照明需求。隨著現(xiàn)代汽車引入了電動(dòng)轉(zhuǎn)向、泵和暖通空調(diào)(HVAC)等高能耗設(shè)備，電力需求大幅增加，對(duì) 12V 系統(tǒng)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，汽車行業(yè)正轉(zhuǎn)向 48V 電氣系統(tǒng)，這不僅提高了功率輸出，支持更多高級(jí)功能，還通過(guò)使用更細(xì)的線束和小型連接器，減輕了重量，節(jié)省了成本，為安裝更多電子設(shè)備提供了空間。本文為《 48V 電源網(wǎng)趨勢(shì)白皮書 》第一部分，主要介紹系統(tǒng)用途、市場(chǎng)趨勢(shì)和系統(tǒng)描述。

系統(tǒng)用途

48 V 技術(shù)的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到 MHEV 領(lǐng)域之外，純電動(dòng)汽車 (BEV) 也開始采用 48 V 組件。雖然 BEV 使用高壓電池組(通常為 400 V 或 800 V 架構(gòu))來(lái)為電機(jī)供電，但對(duì)于某些應(yīng)用，48 V 可帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)：

減小線纜尺寸： 48 V 系統(tǒng)支持使用更細(xì)的線束來(lái)為散熱風(fēng)扇、 車艙通風(fēng)系統(tǒng)和座椅加熱等現(xiàn)有功能供電。這不僅可以減輕車輛重量，而且在需要較低電流的情況下，還能提高能效。

高壓 (HV) 不適用的場(chǎng)景： 主電池組的高電壓不適用于座椅加熱等功能，而且需要額外的安全措施。對(duì)于這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，48 V 系統(tǒng)在節(jié)能和安全性之間實(shí)現(xiàn)了良好的平衡。

此外還為先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和潛力十足的全自動(dòng)駕駛汽車奠定了基礎(chǔ)。電動(dòng)轉(zhuǎn)向、線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)(電子線控)都需要消耗大量電力，而電子線控系統(tǒng)更是對(duì)可靠性 、安全性和冗余度提出了更高的要求 。與 12 V 系統(tǒng)相比，48 V 系統(tǒng)可使線控轉(zhuǎn)向等大功率組件的冗余執(zhí)行器更輕、更具性價(jià)比。

市場(chǎng)信息和趨勢(shì)

多電壓電氣架構(gòu)是未來(lái)趨勢(shì)

48 V 系統(tǒng)越來(lái)越普及， 未來(lái)車輛可能會(huì)混合使用 12 V、 48 V 和高壓(通常為 400 V 或 800 V) 電源網(wǎng)絡(luò) ，而且傳統(tǒng)的12 V 配件也逐漸遷移到 48 V 系統(tǒng)， 耗電較高的組件首先受到影響，例如電動(dòng)轉(zhuǎn)向 (EPS)、懸掛系統(tǒng)、用于加熱/冷卻車艙和電池組的 HVAC 壓縮機(jī)。

現(xiàn)有 12 V 系統(tǒng)仍將由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器支持，由 HV 母線或 48 V 電池供電。然而， 隨著越來(lái)越多的組件轉(zhuǎn)向 48 V 電源，該系統(tǒng)將成為汽車內(nèi)非動(dòng)力系統(tǒng)的主要電氣系統(tǒng)， DC-DC 轉(zhuǎn)換器的尺寸預(yù)計(jì)會(huì)減小，復(fù)雜性會(huì)降低。48 V 技術(shù)方興日盛， 但全面應(yīng)用尚需時(shí)日。美國(guó)汽車制造商正在引領(lǐng)這一變革，而亞洲和歐洲市場(chǎng)正在探索 48 V 的潛力， 尚未形成明確的發(fā)展方向。其他較大型制造商則采取了更為謹(jǐn)慎的態(tài)度，目前仍堅(jiān)持使用 12 V 系統(tǒng)。

區(qū)域控制架構(gòu)除了電動(dòng)汽車電氣系統(tǒng)從 12 V 轉(zhuǎn)向 48 V 之外，車輛電源架構(gòu)也正發(fā)生變革。汽車行業(yè)正從集中式配電轉(zhuǎn)向一種更分散的方法， 即區(qū)域控制架構(gòu)。

區(qū)域控制架構(gòu)將車輛劃分為不同的區(qū)域。單個(gè)主配電單元 (PDU) 充當(dāng)配電樹的第一級(jí)。PDU 直接連接到 48 V 或 12 V電池，并智能地將電力分配至車輛內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)區(qū)域。

區(qū)域控制器取代了過(guò)去分散于汽車中的許多電子控制單元 (ECU)， 負(fù)責(zé)分配電力并管理相應(yīng)區(qū)域中的電氣器件。

其主要優(yōu)點(diǎn)在于可以用基于半導(dǎo)體的受保護(hù)開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)保險(xiǎn)絲， 這些開關(guān)可通過(guò)微控制器 (MCU) 接通和斷開，這意味著可以在發(fā)生故障事件后復(fù)位，而不必更換。此外，受保護(hù)的半導(dǎo)體開關(guān)可以向汽車計(jì)算機(jī)提供診斷信息，有助于解決電氣問題。

圖 1：具有 3 個(gè)區(qū)域的區(qū)域控制架構(gòu)示例：前部、中部、后部

車輛區(qū)域控制架構(gòu)中的低壓配電低壓電源網(wǎng)是電動(dòng)汽車區(qū)域控制架構(gòu)中的關(guān)鍵要素。如隨附的框圖所示， 電力來(lái)自高壓 (HV) 電池組(通常為 400 V 或800 V 電池架構(gòu)) 。HV-LV DC-DC 轉(zhuǎn)換器將高壓降壓，為 LV 網(wǎng)絡(luò)供電：48 V 或 12 V 電池。根據(jù)制造商和汽車型號(hào)，汽車可能只有一種 LV 電池，或者有兩種電池，每種電池使用單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器。

低壓配電系統(tǒng)的主要器件48 V 和 12 V 可能共存于同一輛車中，因此 HV-LV 轉(zhuǎn)換器可以直接為 48 V 電池供電，而額外的 48V - 12V 轉(zhuǎn)換器可以充當(dāng)中間降壓級(jí)。在集中式配電模型中，單個(gè)較大的 48V - 12V 轉(zhuǎn)換器(約 3 kW) 為 12 V 電池供電。相比之下，區(qū)域控制架構(gòu)采用分布式方法， 在域控制器 (ZCU) 內(nèi)嵌入多個(gè)較小的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

使用單獨(dú)的主配電單元 (PDU) 和 ZCU 時(shí)，電力從電源流過(guò) PDU 和 ZCU，然后到達(dá)特定區(qū)域內(nèi)的各個(gè)負(fù)載。PDU 位于ZCU 之前， 通常還直接為大電流負(fù)載供電。ZCU 則負(fù)責(zé)為車輛指定區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)負(fù)載分配電力。

目前市場(chǎng)上主要有兩種方法：

一體式 PDU 和 ZCU：第一種方法將 PDU 和 ZCU 功能集成在單個(gè)模塊中。

分離式 PDU 和 ZCU：第二種方法使用獨(dú)立的 PDU 和 ZCU 單元。這段概述闡明了低壓電源網(wǎng)在車輛區(qū)域控制架構(gòu)中的作用。下面的框圖直觀地呈現(xiàn)了該電力流及不同的實(shí)現(xiàn)方案。

這段概述闡明了低壓電源網(wǎng)在車輛區(qū)域控制架構(gòu)中的作用。下面的框圖直觀地呈現(xiàn)了該電力流及不同的實(shí)現(xiàn)方案。

系統(tǒng)描述

電動(dòng)汽車電力流：聚焦能效

電動(dòng)汽車的運(yùn)行離不開高效的能量流管理。我們可以從三個(gè)主要方面進(jìn)行分析 ：電力的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和消耗 。優(yōu)化這些階段是盡可能增加行駛里程和降低每公里能源成本的關(guān)鍵。

MHEV 引入了 48 V 系統(tǒng)，48 V 電源由起動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。在當(dāng)今的 BEV 中， DC-DC 轉(zhuǎn)換器將高壓電池的電壓降至較低水平，此轉(zhuǎn)換過(guò)程可以通過(guò)一個(gè)較大的轉(zhuǎn)換器集中進(jìn)行，也可以通過(guò)多個(gè)較小的轉(zhuǎn)換器分布式進(jìn)行，就像區(qū)域控制架構(gòu)一樣。

需應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)是如何在全車中高效分配電力，同時(shí)盡量減少線束和電纜的重量。

車輛內(nèi)的負(fù)載會(huì)消耗電力。因此，從系統(tǒng)中的最大負(fù)載開始， 大功率負(fù)載預(yù)計(jì)會(huì)遷移至 48 V。

自動(dòng)駕駛汽車需要更多電力來(lái)驅(qū)動(dòng)中央計(jì)算單元、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和基于 AI 的復(fù)雜方案。

表 1：兩種電池類型的電力產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換。