48V分布式電源架構重新定義汽車供電

汽車電氣化時代到來已是一個不爭的事實，不過怎么實現(xiàn)卻是眾說紛紜：純電動（EV）、混合動力（HEV）、插電式混合動力（PHEV）、48V輕混動力（MHEV）和重混動力（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廠都在對其車輛實施電氣化，以提高內(nèi)燃機的燃油效率，減少二氧化碳排放。

盡管電氣化選擇很多，但大多數(shù)主機廠都沒有選擇完全混合動力（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，隨著汽車上越來越多的新的耗電型電子驅動和功能的增加（電動啟停、電動轉向、電動懸架、電動渦輪增壓、變速空調，以及音響系統(tǒng)、加熱座椅和可隨動轉向照亮黑暗彎道的前照燈），傳統(tǒng)12V配電總線只能勉強為牽引電機和制動系統(tǒng)提供所需能量。

更重要的是，隨著自動駕駛車輛的出現(xiàn)，激光雷達、攝像頭和超聲波傳感器等都需要高性能圖形處理器來收集、解釋、集成和解釋的系統(tǒng)，對配電系統(tǒng)提出了更高要求。這類處理器非常耗電，使傳統(tǒng)汽車12V配電總線無能為力。即使是高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），12V電氣系統(tǒng)已不能提供所需的能量。未來的車載計算機會消耗上千瓦電力，讓12V系統(tǒng)的功率消耗殆盡。因此，無論是現(xiàn)在的混合動力、純電動汽車，還是未來的自動駕駛汽車，都需要48V系統(tǒng)來承受高耗能的負載。

2、為什么是48V技術？

既然問為什么，就要說說作為一種顛覆性技術的48V總線配電有哪些優(yōu)勢？業(yè)界的一些觀點歸納如下：

·增加動力，減少排放。 功率的增加可以使內(nèi)燃機更有效地運轉，幫助主機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力汽車，可以使發(fā)動機在滑行、制動或停止時暫時關閉，然后迅速重新啟動，提供部分動力。輕混動力車的電機用于補充內(nèi)燃機能量，不能單獨為汽車提供動力。

·回收儲存能量。 48V系統(tǒng)采用大容量鋰電池和再生制動系統(tǒng)，通過再生制動或恢復制動，可將汽車減速時損耗的動能轉換為電能，存儲在48V大容量電池中，并能利用回收的能量支持內(nèi)燃機的電氣裝置。再生制動可以在由停車變?yōu)榧铀傩旭倳r，將所存儲的能量用于推動車輛前行，從而實現(xiàn)比通常更快的速度。

·滿足大功率用電。 48V系統(tǒng)汽車不會發(fā)生人們抱怨的12V系統(tǒng)汽車熄火時暖通空調（HVAC）斷電的情形。對于穩(wěn)定性控制或空調壓縮機等依靠大電流的負載，48V系統(tǒng)可實現(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。 存儲的能量可隨時用于車窗除霜或加熱座椅?，F(xiàn)在，越來越多主機廠正在使用新型紅外發(fā)熱板直接供熱，而不浪費電能來加熱汽車的其余部分。但是，紅外發(fā)熱板的挑戰(zhàn)在于每個座椅需要約500瓦功率，這幾乎是12V電氣系統(tǒng)所無法承受的。

因此，對48V總線配電的需求越來越明顯，但48V MHEV要想在未來一段時間化解汽車電氣化難題，仍需借助供應鏈源頭半導體廠商一臂之力。

3、眾多主機廠試水48V系統(tǒng)

英飛凌汽車電子事業(yè)部副總裁兼高功率業(yè)務線總經(jīng)理Stephan Zizala博士認為：“未來十年，全世界大多數(shù)新生產(chǎn)的汽車都將實現(xiàn)部分或完全電氣化。市場調研表明，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力汽車的強勁增長做好準備。”

根據(jù)Navigant的預測，2025年全球新車銷量中48V MHEV動力車可能占據(jù)14%的市場份額，而汽油或或柴油發(fā)動機的市場份額將減至65%。

目前，48V MHEV市場已出現(xiàn)一大批重要玩家，既有Tier 1，也有主機廠。如博世、大陸、德爾福、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、斯巴魯?shù)?；國?nèi)的吉利、長安、北汽、江淮、長城等企業(yè)也都在布局48V系統(tǒng)車型。

不管是哪種類型的汽車，要在未來引領市場，就要實現(xiàn)更高的效率，同時減小體積和重量，降低成本，所以必須采用高效率的功率半導體器件，而汽車的電力系統(tǒng)更是重中之重。

4、混合動力引擎創(chuàng)新案例

2022年，頗負盛名的英國房車錦標賽（BTCC）將增加一個新的維度，成為業(yè)界首個采用MHEV汽車的大型房車錦標賽。賽事使用全新德爾塔汽車運動公司（Delta Motorsport）智能功率密集型電池組，無需使用交流發(fā)電機，不僅減輕了重量，而且提高了可靠性。

BTCC規(guī)定，車手可以戰(zhàn)術性地使用電機提升車輛性能，并提高車輛加速能力。為此，Delta Motorsport設計了新的電池組和相關電子產(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轉換器和穩(wěn)壓系統(tǒng)。電池組為逆變器-電機組合供電，并使用其產(chǎn)生的再生電力，同時高功率密度轉換器可為汽車的所有電路和設備供電。這種架構實現(xiàn)的功率密度和電源管理水平無需使用交流發(fā)電機系統(tǒng)，從而進一步減輕重量，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（PDN）實現(xiàn)了小體積、輕重量和高性能?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的三相無刷電機通過雙向逆變器連接電池，雙向逆變器將電池電源輸送至電機，并將電機產(chǎn)生的再生電力返回到電池。

他介紹說：“在最初前往維修道的限速行駛過程中，電機以純電動模式（僅電機，無內(nèi)燃機）驅動車輛，然后當駕駛員要求在比賽中提升性能時，電機以MHEV模式（與內(nèi)燃機一起）驅動車輛。”

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-逆變器控制器通信的同時，隨時處理可能出現(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)還可實時監(jiān)控所有可用電池的溫度，并將結果反饋到可用的功率計算中。此外，如果出現(xiàn)問題，它可以打開接觸器，安全地隔離電池組。

·供電網(wǎng)絡：用48VDC電源為四個并聯(lián)的DC-DC轉換器供電，后者共同提供高達92安培的13.8V穩(wěn)壓電源（功率約1.2千瓦負載由四個轉換器共擔，盡管只用三個轉換器（即N+1或航空級冗余）就可以完全支持負載。

·DC-DC轉換器：電源系統(tǒng)使用四個Vicor DCM3623隔離式穩(wěn)壓DC-DC轉換器ChiP（封裝級轉換器）電源模塊，從電池組提供13.8V穩(wěn)壓輸出，電流最高可達92安培。由于其外形小巧，轉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轉換器的性能，檢查故障狀態(tài)，提供車輛所有準確電流量的反饋。

這一模塊化電源組件在最初的電池組測試中表現(xiàn)優(yōu)異，無需降額運行，也沒有電壓驟降。供電網(wǎng)絡將最大體積留給了供電的電池單元，而不是電源組件本身，這一點至關重要。因此，該供電網(wǎng)絡展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，DCM模塊的可擴展性和易于并聯(lián)實現(xiàn)了模塊化電源架構，讓Delta在不犧牲功率的前提下實現(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隔離式轉換器Vicor PI3105，為電池組電子設備供電，以便在與車輛電源隔離時維持安全系統(tǒng)運行；還允許電子設備的供電獨立于車輛，以實現(xiàn)系統(tǒng)檢查的遠程連接。

5、比對12V與48V供電網(wǎng)絡

未來的汽車將不可避免地需要更小、更輕及更高效的電源產(chǎn)品來滿足日益增長的性能需求。隨著主機廠轉向能夠處理高功率的48V電池，模塊化方法可以通過更小、更輕的線纜和連接器提高供電網(wǎng)絡效率，從而降低功耗和重量。

Vicor應用工程總監(jiān)Paul Yeaman認為，48V的高密度和高效率對汽車動力至關重要。他說：“對汽車產(chǎn)業(yè)來說，48V MHEV系統(tǒng)是快速推出排放更低、行駛里程更遠、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計選項?！?/p>

對比一下傳統(tǒng)12V集中式架構和48V分布式架構，不難發(fā)現(xiàn)，集中式48V-12V DC-DC轉換器（SilverBox）大多很笨重，線束也很粗重，因為使用的是較早的低頻率開關PWM拓撲。此外，它們也會為大量關鍵動力總成系統(tǒng)帶來單點故障。

而采用模塊化電源組件的分布式供電架構使用更小、更低功耗的48-12V轉換器為12V負載的車輛配電。通過簡單的功率方程式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，對于給定功率級而言，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，分布式電源架構還有顯著的熱管理及電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢。

Yeaman說：“引入48V MHEV系統(tǒng)，一旦完成設計，主機廠就會有很大的優(yōu)勢。當然，克服對長期存在的12V供電網(wǎng)絡改造的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn)。改變供電通常需要經(jīng)過大量測試的新技術，而且可能還需要尊崇汽車產(chǎn)業(yè)的高安全性及高質量標準供電的全新供應商。”

6、混動和純電動車都可用

增加48V電池，可以為動力總成及底盤系統(tǒng)負載供電，為工程師提供各種選項。不過，現(xiàn)在的選擇是，既可以直接處理48V輸入，也可以保留泵、風扇和電機等原有12V機電負載，無需通過穩(wěn)壓DC-DC轉換器將48V轉換成12V。

為了管理變革與風險，現(xiàn)有MHEV供電系統(tǒng)在增加48V負載的同時，仍使用數(shù)千瓦的大型集中式48V至12V轉換器，將整個汽車的12V電源提供給12V負載。然而，這種集中式架構不僅沒有完全利用48V PDN的優(yōu)勢，而且也沒有利用現(xiàn)在可用的高級轉換器拓撲、控制系統(tǒng)與封裝的優(yōu)勢。

Vicor全球汽車業(yè)務開發(fā)副總裁Patrick Wadden認為：“使用高密度積木式設計的48V分布式電源架構才是更具優(yōu)勢的做法。而且，不管是混動還是純電動車都可以使用這樣的方法?！?/p>

分布式供電的模塊化方法的最大優(yōu)勢是高度可擴展性。

?混合動力車： 根據(jù)不同分布式負載的電源分析，可以設計一個模塊并對其進行適當功率粒度及擴展性認證，用于并行陣列擴展。通過使用分布式模塊代替大型集中式DC-DC轉換器，能夠以顯著降低的成本實現(xiàn)N+1冗余。如果在汽車開發(fā)階段負載功率有變，該方法依然有優(yōu)勢。工程師可以增減模塊，無需對整個已完成定制電源進行修改。另一個設計優(yōu)勢是縮短開發(fā)時間，因為模塊已獲得了相應認證。

?純電動汽車：由于動力總成和底盤系統(tǒng)的高功率需求，需要使用高壓電池。48V SELV（安全特低電壓）PDN對主機廠來說仍然有很大好處，但是，現(xiàn)在電力系統(tǒng)設計者面臨著一個額外的挑戰(zhàn)，即高功率800V或400V至48V的轉換。

由于400V或800V配電的安全性要求，這種高壓隔離轉換器的分散非常困難而昂貴。然而，可利用電源模塊設計一種大功率集中式定比轉換器來代替大型SilverBox DC-DC轉換器。

那么，就可以使用適當粒度和可擴展性級別的電源模塊，然后很容易并聯(lián)起來滿足一系列具有不同動力系統(tǒng)和底盤電氣化要求的車輛。

7、48V系統(tǒng)的未來

在汽車市場上，48V電源技術正在迅速發(fā)展，以充分滿足純電動汽車、混合動力汽車以及輕度混合動力汽車的需求。分布式模塊化的汽車供電架構可簡化復雜的供電挑戰(zhàn)，從而提高性能和生產(chǎn)力，縮短上市時間。

還有最重要的一點，輕混動力48V系統(tǒng)能以30%的成本提供完全混合動力汽車70%的好處，特別是在節(jié)能減排方面效果不錯。