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万字综述:汽车48V系统技术

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发布:lixinfu 来源:
PostTime:21-5-2024 20:06
在汽车行业迈向全面电气化的道路上,48V系统正逐渐显露其重要性,成为推动行业进步的关键力量。这一系统不仅适用于内燃机车辆(ICE),还广泛应用于轻度混合动力电动汽车(MHEV)和纯电动汽车(BEV),为各类汽车带 ...

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在汽车行业迈向全面电气化的道路上,48V系统正逐渐显露其重要性,成为推动行业进步的关键力量。这一系统不仅适用于内燃机车辆(ICE),还广泛应用于轻度混合动力电动汽车(MHEV)和纯电动汽车(BEV),为各类汽车带来了显著的性能提升和效率改进。全球汽车市场正经历着一场电动汽车革命。为了应对日益严格的排放法规,内燃机车辆不断优化其动力传动系统。此外,便利性技术、自动驾驶技术的发展也在推动汽车电气化水平的提升。随着车载电子设备数量的增加,汽车的电力需求不断攀升,这直接导致了电池电压的调整以及与之相匹配的高效电力系统的开发。

 






48V系统的引入,是汽车电气化转型的一个重要里程碑。它通过提供更高的电压平台,使得车辆能够更高效地运行高功率电子设备,同时减少能量损耗。这一系统的应用,不仅有助于提高车辆的性能,还为实现更环保、更经济的驾驶体验提供了可能。随着技术的进步和市场的需求,48V系统有望在未来成为汽车电气化的新标准,进一步推动汽车行业向更清洁、更高效、更智能的未来发展。

#01
48V概念的由来

随着汽车行业向全面电气化转型,48V系统正成为推动这一变革的关键技术。从历史上看,汽车电池电压的演变反映了电气化需求的增长。20世纪50年代中期之前,车辆的工作电压仅为6V,随着发动机排量的增加和大型电动起动电机的需求,12V系统成为了新的标准。

 






这一变化是为了满足日益增长的电子设备需求,而今天,随着电子设备的进一步增加,48V系统逐渐成为新的发展方向。尽管行业在12V电气系统中有着深厚的投资,但向48V的过渡正在逐步进行,48V系统与现有的12V系统将并行运行一段时间。这种转变将涉及到开发新的组件,这些组件能够在更高的电压下运行,并满足汽车行业的严格标准。

 






例如,轻度混合动力车辆将需要高效的逆变器电路,以便在不造成过度损耗的情况下与车载48V电池进行能量交换。在20世纪90年代,为了应对更高的电力需求,行业提出了42V系统的概念,而到了2011年,德国汽车制造商将48V作为新的标准。这一变化意味着混合动力汽车和电动车开始采用更高的电压,以提高能效和性能。根据功率公式(瓦特 =电压×电流),提高电压比增加电流更为高效,因为增加电流将需要更粗的电缆和更大的连接器,这将增加硬件成本。

 






总体而言,48V系统的引入是汽车电气化趋势的自然演进,它将为汽车制造商提供更多的灵活性和效率,同时也为未来更高电压的全电动车技术铺平道路。随着技术的发展和成本的降低,预计48V系统将在汽车行业中扮演越来越重要的角色。

#02
为什么要使用48V

48V电池系统的引入为汽车电气化带来了显著的优势,其功率容量是传统12V系统的四倍,这一提升得益于简单的功率方程式 P = V•I。这种增强的电力使得48V系统能够支持更重的负载,例如空调和催化转化器,同时为混合动力电机提供动力,实现更快速和平顺的加速,提高燃油效率。此外,额外的动力还可以用于增强车辆的转向、制动和悬挂系统,以及支持新的安全、娱乐和舒适性功能。与12V系统相比,48V系统在给定功率水平下电流更低,因此损耗(由 PLOSS = I^2R 决定)也显著减少。这意味着在相同的功率传输下,48V系统可以使用更细、更轻的电缆和连接器,从而减轻重量和降低成本。这种效率的提升与欧姆定律和电压降的物理原理密切相关,即在电压一定的情况下,增加电流会导致更高的电压降和功率损失。




  • 12V和48V指的是两种不同的电压级别。


  • 40.44W和5.78W分别是12V和48V系统下的功率损耗。


  • 950w load表示负载功率为950瓦特。


  • Power harness 5m (16ft) length指的是电缆长度为5米(16英尺)。


  • 79A rating和19A rating分别是12V和48V系统下的电流等级。


  • 4AWG和10AWG是美国线规标准,表示电缆的粗细,数字越小,电缆越粗,能承载的电流越大。4AWG比10AWG粗,能承载更多的电流。


  • 2kg (4.1lbs)和0.24kg (0.48lbs)分别是12V和48V系统下5米(16英尺)长电缆的重量。


如图所示,在12V系统中,由于电压较低,为了提供950瓦特的功率,需要较大的电流(79A),因此使用的电缆较粗(4AWG),导致功率损耗较高(40.44W),并且电缆重量较重(2kg或4.1磅)。而在48V系统中,由于电压较高,提供同样的功率所需的电流较小(19A),因此可以使用较细的电缆(10AWG),这导致功率损耗较低(5.78W),电缆重量也较轻(0.24kg或0.48磅)。这说明在高电压系统中,可以减少电缆的尺寸和重量,同时降低能量损耗。

 






历史上,电力能源的先驱在为街道照明、家庭和工业供电时就已经认识到提高电压的重要性。对于汽车而言,12.6V的铅酸电池曾是综合考虑尺寸、能量容量、成本、耐久性和安全性后的最佳选择。然而,随着汽车电力需求的增加,12V系统开始显得不足,而48V系统提供了一个既不会引起安全问题,又能显著提升性能的解决方案。 

 






尽管48V系统具有诸多优势,但在实际应用中也存在一些挑战。例如,为什么不直接从12V升级到24V,或者采用更高的电压系统?这些问题的答案涉及到成本、设计的复杂性、安全标准和行业接受度。24V系统的讨论曾在十年前变得严肃,但由于净收益不足以弥补设计中断,且存在关于12V和24V系统共存的争论,这一转变并未广泛实施。而对于超过48V的系统,会增加用户安全风险,因为大多数地区规定超过60V的直流电压需要采取特殊的安全措施。 

 






现代汽车的电力需求不断增长,除了传统的启动器、灯光、收音机等,高级驾驶辅助系统(ADAS)等新功能的加入也增加了对电力的需求(因为由于更复杂的信息娱乐、连接和导航系统以及不断涌现的数十种驾驶辅助系统,汽车的电力消耗已经上升。摄像头、雷达、传感器和控制器以及随之而来的电子系统都需要比12V系统所能提供的更多的电力)。在12V系统中,为了维持可接受的功率损失,需要使用更粗的电缆和更大的连接器,这不仅增加了成本和重量,也使得车辆内部空间更加拥挤。因此,48V系统的引入不仅提高了汽车的性能和效率,还有助于解决这些挑战,为汽车行业的未来发展铺平了道路。

#03
48V在MHEV上的应用

首先,下图突出了48V在MHEV中应用的主要系统变化。传统车辆与轻度混合动力之间的最明显区别是增加了一个48伏电池。

 






48伏架构




  1. 电动启动机 - 最初安装在发动机皮带上的(皮带启动发电机(BSG))


  2. AC/DC转换器 - 改变从启动发电机流向和来自启动发电机的电流


  3. 48伏锂离子电池(包括电池控制器进行调节)- 提供额外的电力处理耗电的应用程序


  4. DC/DC转换器 - 新48伏系统和现有12伏系统之间的桥梁


  5. 12伏铅酸电池 - 用于发动机冷启动的好旧电池和建立的12伏系统


  6. 电气增压器 - 消除传统涡轮增压器的涡轮滞后限制并提供提升到发动机




在48伏轻混动系统中,电动启动机,也称为皮带启动发电机(BSG),是一个关键的组件。它最初安装在发动机的皮带上,不仅能够实现发动机的快速启动,还能在发动机运行时为电池充电,以及在需要时为车辆提供额外的动力支持。




AC/DC转换器在这个系统中扮演着重要角色,它负责转换启动发电机产生的交流电为直流电,以便为48伏锂离子电池充电。这种转换不仅提高了能源效率,还确保了电池能够有效地储存和释放能量。

48伏锂离子电池,配合电池控制器,为车辆提供了强大的电力支持,尤其是在处理高耗能应用程序时,如空调系统、电动助力转向等。电池控制器负责监控和调节电池的充电状态,确保其性能和寿命的最佳平衡。

DC/DC转换器则是连接新旧系统的关键桥梁。它将48伏电池的电源转换为12伏,以供车辆原有的12伏系统使用。这种转换确保了车辆的传统电气系统能够与新的48伏系统无缝集成,共同工作。

12伏铅酸电池,作为我们熟悉的组件,继续在发动机冷启动时发挥作用,并支持车辆原有的12伏电气系统。它的存在确保了车辆的可靠性和稳定性。



电气增压器的引入,则是为了消除传统涡轮增压器的涡轮迟滞现象,提供更加迅速和灵敏的加速体验。它通过为发动机提供即时推动力,改善了车辆的动力性能,同时也能提高燃油效率。

总的来说,这些组件的集成不仅提升了车辆的能效和动力性能,还确保了驾驶的平顺性和舒适性,为驾驶者带来了更加先进和愉悦的驾驶体验。随着技术的不断进步,48伏轻混动系统有望成为未来汽车的标准配置,引领汽车行业向更高效、更环保的方向发展。

48伏电池的主要目的是提供高耗电应用所需的额外功率,同时减少整个系统的电流。这种巧妙的设计允许使用更小的电缆横截面积,大幅减少当今高端汽车中4公里以上电线的铜用量。因此,实现了显著的重量和成本降低。轻度混合动力的其他显著不同因素是新的48伏模块,如电动起动发电机、电动增压器和DC/DC转换器。后者简单地将48伏电池功率转换为支持车辆中已建立的12伏应用。与传統的12V铅酸电池的化学性质不同,这种48V电池是基于锂的,以提供更高的重量和体积能量密度。由此产生的拓扑结构在插图中被称为轻度混合动力。

 






12V/48V轻度混合动力在某些方面是一种折衷,但与许多折衷不同,这是一种提供许多即时优势和有利的成本、效益和回报比的折衷。(来源:德尔福技术)

根据上图可知,在未来的汽车技术领域,48伏轻混动系统正迅速成为一股不可忽视的力量。据预测,到2025年,全球每售出的10辆汽车中,就将有1辆采用48伏轻混动技术。这一变革性的系统不仅将扭矩提升超过50%,还助力汽车制造商满足日益严格的燃油经济性和排放标准。



48伏系统的核心在于其强大的重载能力。这套系统专门设计用于支持空调、发动机风扇等高功耗部件,同时能够在启动时迅速加热车厢和催化转换器。其关键组件包括48伏锂离子电池、AC/DC转换器,以及嵌入到发动机管理控制器中的混合控制软件。这些组件的协同工作,使得48伏系统能够在汽车起飞时提供更强劲的动力,从而实现比传统12伏系统更快、更平滑的加速,同时显著节省燃料。

与此同时,改进的12伏系统也在发挥着重要作用。这套系统拥有传统12伏系统的四倍电力,能够提供智能驾驶体验,提升整体效率,并为众多配件如主动安全系统和互联娱乐系统提供电力。DC/DC转换器是其中的关键,它通过48伏电池从混合发电机获取电力,确保12伏电池始终保持充电状态。此外,12伏电池和12伏电气分配中心也是该系统不可或缺的部分。

这两套系统的结合,不仅预示着汽车行业在能源效率和环保性能上的重大进步,也为驾驶者带来了更加强劲、智能和舒适的驾驶体验。随着技术的不断发展和成本的降低,48伏轻混动系统有望在未来几年内成为汽车市场的主流配置。



在这种创新的汽车电源架构中,48伏电池遵循着业界拟议的汽车标准LV148的指导原则,作为对传统12伏铅酸电池的补充。这种组合式的电源设计充分利用了两套电池系统的优势,其中12伏电池提供3千瓦的功率等级。这种设计理念的核心在于,两种电池及其配电电缆将协同工作,根据不同的需求提供电力。

具体来说,12伏电池和配电系统将负责为车辆的点火系统、照明以及信息娱乐系统等关键功能提供稳定的电力。这些系统对于车辆的日常运行至关重要,因此12伏电池确保了这些功能的高效和可靠运作。



另一方面,48伏电池及其配电系统则承担着更为高功率的负载。这包括支持底盘控制系统、空调系统、主动或可调悬挂系统,以及储存再生制动能量等功能。此外,48伏系统还负责为电动增压器和涡轮等高性能部件提供动力。这些功能通常需要更高的电力输出,而48伏电池正好能够满足这些需求。

通过这种智能的电力分配方式,汽车能够更高效地利用能源,同时在确保所有系统正常运行的同时,还能实现更高的性能和更好的燃油经济性。这种先进的电源管理策略,不仅提升了车辆的智能化和环保性能,也为驾驶者带来了更加舒适和便捷的驾驶体验。随着汽车行业对能效和性能的不断追求,这种48伏与12伏电池相结合的电源系统有望成为未来汽车的标准配置。

下图展示了12V和48V系统的组合,其中48V系统增强了12V系统,以支持更高的功率需求。(来源:德尔福技术)

 






双电压轻度混合动力系统会将电压轨和可用功率分配给从效率和操作角度来看最合理的功能。(来源:德尔福技术)

依据上图可知:48伏系统的核心组件包括:


  1. 交流/直流转换器:它负责将交流发电机产生的电流转换为直流电,以便为48伏锂离子电池充电。


  2. 48伏锂离子电池:在每次停车和启动过程中,它都会进行充电和放电,有效地储存和释放能量。


  3. 电池控制器:它精确调节电池的充电状态,确保电池性能和寿命的最佳平衡。


  4. 电力分配盒:内置保险丝,确保电力安全、高效地分配至整个系统。


此外,系统还包括一个电动机/发电机,它不仅负责启动发动机,还帮助汽车启动,并在制动过程中为电池充电,从而回收能量。这一过程大大提高了能源的使用效率。

混合控制器作为整个系统的大脑,负责指挥发动机的停止和启动,并指导电机/发电机在何时充电电池或推动汽车。这种智能控制确保了车辆在各种驾驶条件下的最优性能。

增压器在发动机启动时提供助力,有效消除了涡轮迟滞,提升了加速性能和平顺性。

为了支持传统的12伏系统,48伏系统还包括一个直流/直流转换器,将48伏电池的电源转换为12伏,供附件使用。12伏电池,作为我们熟悉的组件,继续支持如中控台、电动座椅和窗户传感器等传统电气设备。12伏电气分配中心则负责将这些电力分配到各个12伏电气设备,确保车辆的传统系统与新的48伏系统无缝集成,共同工作。

#04
48V在EV上的应用

特斯拉Cybertruck的推出,以其创新的48伏电气系统和线控转向系统,标志着汽车行业的一次重大飞跃。这些技术进步得益于特斯拉对车辆布线和通信方式的新颖见解,而这些见解已被公司申请了专利。



尽管Cybertruck的规格可能看似平凡,但这是马斯克多年来对其性能进行夸大的结果。实际上,特斯拉在技术层面上并未让人失望。Cybertruck首次在量产车辆上采用了48伏低压电气系统,这是对电气架构的重大改进和简化,为下一代电动车的低成本制造铺平了道路。



特斯拉宣布,Cybertruck的布线架构将比以前的特斯拉电动车简化得多。通过使用多个本地控制器连接到高速通信总线,特斯拉避免了将每个电气组件连接到中央控制器的复杂性。这种分布式控制器的应用,不仅减少了电线数量,还提高了电气设备的效率和性能。



电动皮卡还配备了线控转向系统,需要一个高速通信总线以实时传输方向盘的运动。特斯拉采用了一种Gigabit以太网架构的变体,并使用以太网供电(PoE)来通过同一根数据线为组件供电。这种数据网络的延迟仅为半毫秒,为转向信号提供了完美的响应速度,并提供了足够的带宽,以实现各种控制器的实时通信。

此外,特斯拉最近申请了一种模块化布线系统的专利,该系统将大幅简化制造过程。这种布线系统包括扁平的骨干布线,带有EMI屏蔽,以及车身上的导电涂料和粘合剂。这种模块化布线系统支持机器人组装和特斯拉的新未包装车辆制造过程,通过专有连接器,组件可以轻松“点击”到位,无需手动安装,从而大大减少了生产时间和成本。



虽然不确定Cybertruck是否采用了这种模块化布线系统,但特斯拉计划推出的低成本车型肯定需要一个快速通信主干和一个类似模块化布线系统的支持。特斯拉的这些创新不仅展示了其在汽车技术领域的领导地位,也预示着未来电动车制造的新方向。



在预期的10到15年过渡期至48V电源系统中,许多车辆将继续依赖现有的12V配件和子系统,这些配件和子系统表现良好,且立即重新设计的成本过高。为了实现这一过渡,车辆可以通过运行传统的12V线束来继续使用这些现有组件。



然而,一个更实际的方法是实施一种分布式电源传输架构,例如由Vicor开发的系统。在这种分布式系统中,车辆的48V电源来自主要400/800V电池,然后发送到靠近负载点的12V电源转换器。通过使用两个或更多独立、隔离的电压转换器供电,可以为制动、转向和其他ASIL D安全关键功能提供冗余电源。

 





过渡到48V电源架构也引发了关于48V电源来源的问题。例如,特斯拉公司选择通过一个小型独立的锂离子辅助电池来为48V总线供电,该电池从车辆的主电池组充电。其他制造商可能会选择创建一个由低阻抗转换器、调节器和小储能设备(如超级电容器)组成的“虚拟”电池,以消除对单独48V电池的需求。这将确保车门锁等关键系统在主电池断开时仍能保持电力。



特定制造商过渡到48V的细节将极大地取决于他们的产品、技术成熟度以及服务的客户需求。但几乎所有刚开始这一旅程的人都可以从对相关技术的基础知识和设计实践有扎实的了解中受益。这包括了解ISO 21780标准,该标准涵盖了配备名义电压为48VDC的电气系统的道路交通车辆中电动和电子组件的要求和测试。此外,VDA建议3205由德国电气和电子制造商协会(ZVEI)发布和维护,它涵盖了汽车中电动和电子组件的广泛规格和测试要求,用于开发48V电源。ZVEI的文件《48伏电气系统——通往电动移动性之路的关键技术》提供了关于VDA 320所提出的要求及其实现方式的实用见解。

#05
48V系统相关组件厂家介绍

在从12V电气系统向48V系统的过渡中,由于汽车行业在12V系统上投入了巨大的资源和基础设施,因此这一转变不可能一蹴而就。相反,向48V系统的转变将是一个渐进的过程,随着48V基础设施的逐步引入,新的48V系统将与现有的12V“遗留”系统并行运行。一个典型的48V系统可能包括48V电池和电池控制器、电机发电单元和逆变器、电源总线及连接点,以及一个DC/DC转换器,这些组件能够在不同系统之间根据需要传输电力。

向48V系统的转变将需要开发一系列能够在更高电压下运行并满足汽车行业严格标准的新组件。例如,轻度混合动力车将需要高效的逆变器电路,以便能够向车载48V电池贡献能量,同时从电池中获取能量,而不会造成过多的能量损失。此外,线束可能需要升级,以处理更高的电压和电流,以及任何在48V下切换大量电力的设备。

这种过渡不仅涉及到硬件的升级,还包括软件和控制策略的调整,以确保系统的稳定性和效率。随着48V系统的不断发展和完善,预计将推动汽车行业向更高效率、更环保的方向发展,同时为驾驶者带来更加先进和舒适的驾驶体验。

1、48V电池

博世为汽车48伏系统设计的电池展现了现代工程技术的精湛。这款电池的尺寸仅为309毫米 x 175毫米 x 90毫米,使其能够轻松安装在汽车座椅下或行李箱中,节省了宝贵的车内空间。这种紧凑的设计不仅提高了空间利用效率,也使得电池的布局更加灵活,适应不同车型的需求。

电池采用被动冷却设计,摒弃了传统的风扇冷却方式。这种设计不仅减少了组件数量,降低了成本,还提高了系统的整体可靠性。没有了风扇,电池在工作时不会产生任何噪音,为驾驶者提供了一个更加安静舒适的驾驶环境。

尽管体积小巧,这款48伏电池的功率输出却十分惊人。在回收累积能量时,它能够提供高达13千瓦的功率,这为车辆提供了强大的电力支持,尤其是在需要快速加速或处理高耗能设备时。

这种电池的设计充分体现了现代汽车工程中对空间效率、成本效益和可靠性的追求。它的紧凑尺寸、被动冷却和无噪音特性,使其成为未来汽车48伏系统的理想选择。随着电动车和混合动力车市场的快速增长,这种高效、紧凑的电池设计预计将在汽车行业中得到广泛应用,推动汽车向更轻、更安静、更环保的方向发展。

 






博世提供的这种48V锂离子电池单元是可用的,它可以安装在汽车座椅下方,却不需要主动冷却。(来源:罗伯特·博世有限公司)

2、48V超级电容器

伊顿的XLR系列48V超级电容器,作为一种先进的能量存储解决方案,为混合动力车和电动车提供了全新的能量管理可能性。这些超级电容器能够提供短暂而强大的功率爆发,有效地填补了内燃机功率曲线上的空白,或在需要时提供额外的动力。

在传统的电动车和混合动力车中,电池通常用于提供持续的电力支持。然而,超级电容器的引入提供了一种替代方案。它们能够在短时间内释放大量能量,非常适合需要快速加速或瞬间高功率输出的应用。

伊顿的XLR 48V超级电容器模块,专为混合动力车和电动车设计,特别是那些需要高功率、频繁充放电的公共交通和相关应用。这个模块由18个超级电容器单元组成,每个单元具有166法拉的电容,总电容达到2668法拉。此外,每个单元的等效串联电阻仅为5毫欧,这意味着模块可以快速响应并提供所需的功率。



伊顿的48伏超级电容器能够瞬间释放强大的能量脉冲,为电动车辆提供瞬间的功率支持

模块还包含了单元电压管理电路和过电压报警系统,确保了系统的稳定性和安全性。它被密封到IP65标准,使其能够在多尘区域和将被喷射清洗的环境中可靠地工作。

通过在混合动力车中增加这样的超级电容器模块,可以显著减少电池的尺寸和重量,甚至在某些情况下完全取代电池。这种方法不仅提高了车辆的能效和性能,还降低了整体成本,并有助于提升车辆的续航能力和动力系统的响应速度。随着技术的不断进步,超级电容器在汽车领域的应用前景将更加广阔,为未来绿色出行提供更加高效、环保的动力解决方案。

3、电解电容器

在48伏系统中,由于使用更高的电流和电压,电气环境不可避免地变得更加嘈杂。为了应对这一挑战,一些制造商,如松下公司,已经开发出相应的解决方案。例如,松下EEH-ZE系列的混合铝电解电容器,专门为过滤功率转换器和电压调节器的输入和输出,以及电源和电池的解耦而设计,非常适合汽车应用。



这些表面贴装式的电容器不仅符合AEC-Q200标准,保证了其可靠性和耐用性,而且在设计上考虑了减少电气噪音,提高了系统的整体性能。通过这些创新,松下为48伏系统提供了一个更加稳定和高效的电气解决方案。

4、表面贴装式功率电感器

Vishay为汽车行业量身定制了一系列先进的表面贴装式功率电感器,其IHLP部件采用创新技术制造。这些电感器通过在引脚框架上绕制铜线圈,然后封装在粉末铁和环氧树脂中,形成了一种紧凑而强大的设计。



它们能够承受高达125°C的高温环境,具有极低的直流电阻和铁损耗,保证了高效能和长寿命。此外,IHLP电感器还具备自屏蔽特性,有效减少了电磁干扰,确保了系统运行的稳定性。与市场上的其他替代品相比,Vishay的IHLP电感器不仅体积更小、重量更轻,而且性能卓越,为汽车行业提供了一种高效、可靠的电感解决方案。

5、功率电子领域

在向48伏系统转变的过程中,功率电子领域的发展步伐将加速,为这一转型带来的机遇服务。一个关键的发展领域将是充电控制和电池管理。例如,NXP等公司已经推出了相关的电池管理设备,如MC33771B锂离子电池管理器,它适用于多达14个电池单元的内部电流平衡。这种管理器的出现,标志着电池管理系统向更高效、更智能的方向发展。





此外,高效的DC/DC转换技术同样重要,它负责将高压电池组的能量转换为低压的电子系统所需电能。安森美半导体开发了高度集成的模块,如FTCO3V85A,这是一个80V、低Rds(on)的汽车级功率模块,集成了三相MOSFET,专为48V DC/DC转换而设计。



这些模块不仅提高了转换效率,还降低了能量损耗,为电动车提供了更加高效、可靠的电力转换解决方案。随着这些技术的不断进步,48伏系统将更加成熟和广泛地应用于电动车辆,推动汽车行业的电气化进程。

6、传动系统的关键组件

供应商们正在探索将传动系统的关键组件进行多路分割的多种方法,以提升电动车辆的性能和效率。例如,意法半导体推出的L9907是一个智能功率FET驱动器,专门用于三相无刷直流电机。





它采用BCD-6s工艺制造,能够独立控制六个预驱动通道,实现对三相无刷直流电机的各种控制策略。这种高度集成的驱动器不仅提高了电机的控制精度和效率,还简化了系统的设计和维护。

另一方面,Elmos推出的E523.52则采用了不同的方法,它是一个可编程的高电压无刷电机控制器,适用于24V和48V车辆。



这个控制器集成了三个半桥驱动器、一个11V DC/DC降压转换器、两个线性调节器和16位微控制器。11V输出为六个门驱动器、内部线性调节器和外部负载(如外部霍尔传感器)提供电力,这使得E523.52成为了一个多功能、高效且易于集成的控制解决方案。

这些技术的开发和应用,展示了供应商们在电动车辆传动系统方面的创新和进步,它们不仅提升了车辆的性能,也为电动车的广泛应用铺平了道路。随着这些技术的不断成熟和优化,未来电动车辆将更加高效、可靠,并为驾驶者带来更好的驾驶体验。

7、功率晶体管

在48V汽车应用的集成链下游,英飞凌和安森美半导体等公司正在开发优化的功率晶体管,以提升电动车辆的性能和效率。英飞凌利用其OptiMOS 80V/100V沟槽技术和无引线TOLL或TOLG封装,构建了适用于48V应用的基本设备。这些技术不仅提高了功率晶体管的性能,还简化了其集成和安装过程。



另一方面,安森美半导体推出了一系列非常低电阻的80V N沟道PowerTrench MOSFET,这些MOSFET在紧凑的TOLL封装中表现出卓越的性能,非常适合高电流48V应用。



这种封装方式不仅提高了组件的耐用性和可靠性,还节省了空间,为电动车辆的轻量化设计提供了可能。

此外,国巨电子(Yageo)也为汽车市场生产两种系列的多层陶瓷电容器,分别为AC系列和AS系列。AC系列的多层陶瓷电容器工作电压范围广泛,从6.3V到630V,电容值从0.2pF到2.2mF,专为汽车应用设计,包括娱乐、舒适、安全和信息娱乐。



这些部件无铅和卤素,符合RoHS要求,并满足AEC-Q200汽车质量标准。AS系列部件的电容值从1nF到4.7uF,工作电压从10V到250V,具有由多层镀层组成的软终止,能够在焊接板弯曲时减少应力,从而提高部件的稳定性和耐用性。

这些技术的开发和应用,不仅提升了电动车辆的性能,还为车辆的轻量化、可靠性和环保性能提供了支持。随着这些技术的不断成熟和优化,电动车辆将更加高效、环保,并为驾驶者带来更好的驾驶体验。

8、新型被动元件

向电动出行的转变也在创造对新型被动元件的需求。TDK的CeraLink电容器旨在作为纹波电流抑制器、直流母线电容器和在新型IGBT和MOSFET的可用性下,汽车电源供应和逆变器自身生成的快速开关中的缓冲器,其中低等效串联电阻和电感很重要。



向48V的转变,特别是在相对较高电流下,也要求改变车辆电气系统的互连方式。低电阻、密封、耐用性、可靠性和价格是在选择连接器时都应考虑的因素。

Aptiv正在用其PowerPack 1000系列高电流、高度密封的连接器应对这一市场机会。它们设计得紧凑、易于组装、抗振动能力强,并具有经过验证的端子设计。

 





连接器可以在85°C下承载高达145A的电流,并将与8到10平方毫米或19到25平方毫米的电缆配合使用。工作温度范围是-40°C到+125°C,密封规格包括IP67、IP6K9K和S3。该公司建议PowerPack 1000连接器非常适合用于功率分配箱、启停系统、电动涡轮、电池连接、主动悬挂和电动机-发电机单元。

在当今的车辆中增加一个48V子系统将提高其效率并减少其排放。它还将为未来先进的混合动力和全电动车铺平道路,这些车辆为个人运输领域带来了激动人心的新特性。

连接器、电容器和磁性元件在这些系统的可靠性和功能性中起着关键作用,市场正在迅速发展以满足这一领域日益增长的需求。

#06
总  结

在汽车行业迈向全面电气化的道路上,48V系统正逐渐显露其重要性,成为推动行业进步的关键力量。这一系统不仅适用于内燃机车辆(ICE),还广泛应用于轻度混合动力电动汽车(MHEV)和纯电动汽车(BEV),为各类汽车带来了显著的性能提升和效率改进。以下是对48V系统在汽车行业中应用发展的总结:

1、48V系统的优势:


  1. 性能提升:48V系统能够提供更高的电压和电流,支持更高功率的电子设备,如空调压缩机、电动水泵等。


  2. 效率改进:在高电压下工作可以减少能量损耗,提高整车的能源效率。


  3. 成本效益:相比全混合动力系统,48V系统的成本更低,且易于集成到现有车辆设计中。


  4. 环保贡献:48V系统有助于减少燃油消耗和排放,支持可再生能源系统和电动车推进系统。


2、技术发展:


  1. 电气化:48V系统促进了汽车电气化,支持了更多电气设备的使用,如电动助力转向和高级驾驶辅助系统(ADAS)。


  2. 电压转换:通过DC/DC转换器,48V系统能够为12V系统提供电力,实现新旧技术的兼容。


  3. 安全性:48V系统被归类为低电压系统,比高电压系统更安全,且不需要复杂的安全措施。


3、市场趋势:


  1. 轻度混合动力:48V系统在轻度混合动力车辆中得到广泛应用,提供动力辅助和能量回收。


  2. 电动车适配:48V系统为电动车提供了一个过渡方案,支持更高电压的电气系统,同时保持成本效益。


4、未来展望:


  1. 标准化:随着技术的发展,48V系统有望成为汽车电气化的新标准。


  2. 创新应用:48V系统的应用创新,如电动增压器和线控转向系统,为汽车性能的提升提供了新的可能性。


5、组件和技术:


  1. 电池和超级电容器:48V电池和超级电容器为汽车提供了更强的电力支持和更快的响应速度。


  2. 功率电子:高效的功率电子组件,如MOSFET和IGBT,为48V系统提供了高效的电力转换和管理。


  3. 被动元件:新型被动元件,如电容器和电感器,为48V系统提供了更好的电力滤波和能量存储。


48V系统在汽车行业的应用发展是响应市场对更高能效和更低排放需求的必然趋势,同时也为汽车技术的进一步创新提供了坚实的基础。随着技术的成熟和市场的认可,48V系统有望在未来成为汽车电气化的新标准,进一步推动汽车行业向更清洁、更高效、更智能的未来发展。

参考文章
[1] .The Shift to 48V in Automotive Systems: What You Need To Know | Engineers' Insight | Avnet Abacus

[2] .Adding 48V to 12V Means Major Benefits | Mouser

[3] .The appearance of 48V Mild hybrid | Efficiency Wins (nexperia.com)

[4] .Tesla Commits To 48V Electrics | Vicor | Automotive (vicorpower.com)

[5] .Adding 48V to 12V Means Major Benefits | Mouser

[6] .Tesla 48 Volt System is Better, Simpler and Cost Saving | NextBigFuture.com

[7] .Tesla Confirms The Switch To 48 Volt System (insideevs.com)

[8] .Tesla Commits to 48-Volt Automotive Electrics (designnews.com)

[9] .High Voltage MLCC for EV Powertrain | News | SAMSUNG ELECTRO-MECHANICS | Mobile (samsungsem.com)

[10] .Modular approach solves 48V power architecture electrification challenges - Electronics World

[11] .Electric Vehicle Powertrain: The 48V Design Challenge | Automotive | Avnet Abacus

[12] .Electric Vehicles: 48V is the new 12V - Power Electronics News

[13] .Tesla Patents Modular Wiring System That Will Make a Wiring Harness and CAN Bus Obsolete - autoevolution

[14] .Tesla Commits To 48V Electrics | Vicor | Automotive (vicorpower.com)

[15] .48V Systems – goodbye 12V | Vicor | Automotive (vicorpower.com)

[16] .Four Key Technology Trends for EVs in the US - Power Integrations

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