目前混動汽車（HEV）和純電動汽車（EV）的設計非常引人注目，但是汽車行業還有一個不太起眼但卻意義重大的發展趨勢：在動力系統中增加48V直流（DC）總線。48V不僅適用于混動汽車和純電動汽車，更多普通的內燃汽車也將采用這種技術，雖然純電動汽車和混動汽車的市場份額在不斷增長 (圖1)。
圖1：電動汽車市場（包括純電動汽車和混動汽車）預計在未來幾年會迅速增長，48V的采用將成為有利于增長的一個要素 (資料來源：Delphi Technologies) 工程師和汽車機械師從小就接觸無處不在的12V電池和汽車零部件 (這是已有100多年歷史的行業標準)，但是不需要擔心12V系統會很快消失，因為在可以預見的未來，12V可能會和48V系統共存。 那么48V系統有哪些獨到之處呢？答案需要從電力的角度來看，回到歐姆定律以及與壓降 (V=IR)、功率 (P=IV) 和功率損耗 (P=I2R) 有關的物理定律上來。雖然壓降（損耗）隨電流線性增加，功率損耗隨電流的平方而增加，但是輸送功率需要電流和電壓來一起決定。簡而言之，在給定電壓下輸出更多的功率需要更大的電流，而電流越大，壓降越高，功率損失也不可恢復。 這并不算是新發現，最早一批的電力領域先鋒企業早就知道這些，這也是他們采用更高電壓的原因。他們尋求為路燈系統、家庭和工業場所供電的更好解決方案，但是對于汽車而言，從可充電鉛酸電池獲取12.6V（標稱值）電壓是一個很好的折中方案，可以兼顧尺寸、容量 (安培小時)、成本、壽命和安全等因素。 然而現在的汽車需要比幾年前的汽車更多的動力。除了發動機、車燈、收音機、電動天窗、電動助力轉向、網絡和信息娛樂等基本功能，現在還會集成很多與安全和便捷性有關的其他功能，這些功能通常會歸入高級駕駛輔助系統 (ADAS) 范疇內。ADAS系統對電池提出了更高的要求，需要更多的電力，因此采用12V電源為各種核心部件和外設供電需要更大的電流。然而在12V下保持IR下降和I2R功率損失在可接受的水平需要采用更粗的電線、更多的銅制材料和更大的連接器，這意味著成本、體積的增加，車輛系統內也會顯得更加的擁擠。 48V供電是新形式的12V嗎？ 經過大量的分析，業界決定采用48V作為新的電源系統。與傳統的12V鉛酸電池不同，48V電池采用鋰電池，具有更高的重量和體積能量密度，比較有名的是“mild Hybrid” (微混或者輕混) (圖2)。
圖2：從某些方面來說，12V/48V輕混系統是一個折中方案，但與其他折中方案不同，這種方案有很多的直接優勢，能降低成本，提升效益和回報率 (資料來源：Delphi Technologies) 在此方案中，48V電池 - 按照汽車標準LV148的規定 - 作為補充與12V鉛酸電池結合使用 (這樣能夠提供3kW的額定功率)，如圖3所示。 12V電池和48V電池將連同他們的配電線束一起使用，在需要功率輸出的時候兩塊電池都提供能量輸出，比如12V總線可以為點火、照明和信息娛樂系統供電，而48V總線將負責底盤控制系統、空調、主動/調整懸架、存儲再生制動能量、驅動電動增壓器和渦輪等。
圖3：雙電壓輕混方式將為各項功能有效分配電壓和可用功率，從效率和運行的角度來看這是最有意義的 (資料來源：Delphi Technologies) 請考慮一個基本組件：發動機啟動器。48V電池如何改變發動機啟動器的基本架構，從而更好地增強啟停效果。這種方式有利于減少在紅綠燈和停車等待時的燃油消耗，進一步增強燃油效率。在大多數只有12V電池的汽車中，電池為啟動器提供動力，交流發電機作為充電器。但是48V和12V的組合使用可以提供高達10 kW的功率，啟動電機和獨立的交流發電機被集成的啟動發電機 (ISG) 或帶式啟動發電機所取代，48V鋰離子電池和雙向DC/DC轉換器會被封裝在堅固的盒子內，這其實是一種輕混動力系統，與內燃機協同工作。擁護者聲稱它可以提供全混三分之二的好處，但是只需要付出三分之一的成本，經濟效益增加了15%到20%。 不過選擇48V也引出了兩個問題：為什么不從12V直接改為24V呢？既然更高的電壓能帶來更多的好處，那為什么把電壓限制在48V呢？對于這些問題有很多不同的回答。 大約在10年前，關于24V的討論非常的激烈，一些主要廠商甚至開始生產24V連接器、開關、繼電器和其他基礎部件。但是采用24V的好處并不足以支持它所帶來的設計上的改動。此外關于汽車是否應該完全淘汰12V電池而僅采用24V電池，還是讓它們共存，這個爭論也一直未解決。 至于48V以上，則會給用戶帶來安全問題。在大多數地區，超過60V的直流電壓被認為是潛在的不安全因素，因此需要特殊的接線注意事項、安全鎖、使用導管和物理屏蔽等。盡管48V系統實際上可能達到略低于60V的峰值，但它被認為是安全的，從而避免了這方面的問題（注意對于純電動汽車和混動汽車，與主電池相關的電壓會遠遠超過60V，因此設計中考慮了所有安全規則和預防措施）。48V是傳統和輕混系統所能達到的最高水平，因此可以避免額外的安全相關設計問題。 需要哪些必要條件 采用48V系統不僅僅是需要一個新的電池結構。除了直徑更小的線束和更小的連接器之外，還需要規定允許的線束彎曲半徑 (線束越細，允許的彎曲度越大，布線也更方便)。另外還要考慮線束絕緣以及其他“機械”變化。這些都是顯而易見且容易掌控的變化，但是由于12V和48V總線并不是相互隔離的，因此需要新的功能模塊來共同管理它們 (圖4)。
圖4：兩條總線之間的關系很復雜，需要仔細分析它們的共存所帶來的影響 (資料來源：Texas Instruments) 其他不太明顯的變化也是有的。為12V總線上可能出現的高達30V和40V電壓峰值而定制的電路保護組件需要更高的額定電壓才能與48V總線協同工作，因為額定電壓較低的組件在48V總線上會發生斷路。即使是基本的熔斷器（本質上是對電流敏感的器件）也對自身承受的電壓有最大的額定值，因此需要在物理和電氣方面進行調整以適應較低的電流（比較容易）和較高的電壓（稍微困難）。同樣，保護電池避免反向連接的標準組件也是每個電路模塊必不可少的，在主線束意外連錯時需要合理地處理可能產生的更高的反向電壓。 不過真正的挑戰是從電池管理開始。在大多數系統中需要監測和管理多個具有相同額定電壓的電池，但是對于12V/48V這樣的設計，有兩個差別很大的電壓。從總體電源管理的角度來看，48V和12V電池最好能在適當的情況下共享和交換電能。 集成電路 (IC)，比如Analog Devices的LTC3871芯片就是為這種情況而設計的 (圖5)。這種雙向的降壓/升壓開關穩壓器 (控制器) 允許兩個電池通過將其中一塊電池的能量轉換給另一塊電池，同時向負載供電。它會根據處理器發出的控制信號來切換從VHIGH 到VLOW的降壓模式以及從VLOW到VHIGH的升壓模式。與此同時，其精確的電流調節回路可以在兩個方向上傳輸最大電流。
圖5：Analog Devices公司的 LTC3871芯片是一款雙向降壓/升壓開關穩壓器 (控制器)，允許兩個電池必要時向負載提供能量 (資料來源：Analog Devices) 48V電池本身很特別。原則上它的結構可以由四個12V鉛酸電池串聯而成，但這樣會占用太多的空間，需要較粗的連接線纜。不過48V電池是一種鋰離子電池，專門設計用來提供這種電壓，其體積與12V電池大致相同。 Bosch為汽車的48V系統提供了一款電池設計 (圖6)。電池尺寸僅309mm × 175mm × 90mm，因此可以放在汽車座椅或后備箱中。它是一個無源冷卻組件，不需要風扇 (否則會導致成本升高且可靠性降低)，也不會產生噪音。這個7kg重的裝置可以提供高達13kW的功率，此外它還支持能量回收充電。
圖6：Bosch生產的這款鋰離子電池是一種48V電池，它可以放在汽車座椅下面，并且采用無源降溫方式 (資料來源：Robert Bosch GmbH) 總結 12V電池為汽車工業提供了良好的服務，其長期以來的應用表現清楚地證明了這一點。然而由于其IR損耗、功率損耗等問題，這種單一的低壓總線方案已經不能滿足當今汽車快速增長的電能需求了。 現在的解決方案采用48V電池作為補充，這并不是“即將到來”的一種預測，因為它已經在很多汽車的動力系統中獲得應用，包括燃油汽車、輕混、全混電動汽車以及純電動汽車。48V解決方案的應用正在迅速擴大，因為它是解決現在電力問題的唯一可行方案。 采用這種新的架構需要新的線纜、連接器、有源（電源管理IC）和無源（保護設備）組件，以及48V鋰離子電池。也許在未來的一二十年后，12V電池只能作為歷史印記在一些古董車展上看到，但是在可預見的未來，12V和48V電池以及它們的總線將會共存并且相互作用，從而提供更加高效的電力解決方案。 文章來源：貿澤電子 作者簡介：Bill Schweber是貿澤電子撰稿人，也是一名電子工程師。他撰寫了三本關于電子通信系統的教科書，以及數百篇技術文章、意見專欄和產品功能介紹。在過去的職業生涯中，他曾擔任多個EE Times子網站的網站管理員以及EDN執行編輯和模擬技術編輯。他在ADI公司（模擬與混合信號IC的領先供應商）負責營銷傳播工作，因此他在技術公關職能的兩個方面都很有經驗，既能向媒體展示公司產品、故事和信息，也能作為這些信息的接收者。 在擔任ADI的MarCom職位之前，Bill曾是一名備受尊敬的技術期刊副主編，并曾在其產品營銷和應用工程團隊工作。在擔任這些職務之前，他曾在英斯特朗公司（Instron Corp., ）實操模擬和電源電路設計以及用于材料測試機器控制的系統集成。 他擁有哥倫比亞大學電子工程學士學位和馬薩諸塞大學電子工程碩士學位，是注冊專業工程師，并持有高級業余無線電執照。他還規劃、編寫并演示了各種工程主題的在線課程，包括MOSFET基礎知識，ADC選擇和驅動LED。 |
