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摘要
汽车行业正经历深刻变革，从传统内燃机汽车向电气化、智能化和网联化方向转型。这一转型正在推动下一代汽车架构的发展，包括软件定义汽车（SDV），并持续重塑现有电子电气(E/E)系统和整车供电架构。
本文概述了12V、24V和48V汽车电气系统的发展历程。从早期6V电池系统发展到当今用于轻度混合动力汽车和电动汽车的48V系统的历程。同时重点介绍了48V系统在在线束减重和效率提升等方面的优势，并讨论了电磁兼容性、电弧抑制和瞬态过压等技术挑战。
引言
早期汽车依靠磁电机进行发动机点火并使用燃气大灯，并未配备专用的电池供电电气系统。20世纪20年代至20世纪50年代，6V电池被广泛应用于汽车电气系统。1 随着汽车配备的发动机功率和压缩比的不断提高，6V电池无法提供足够的启动功率，也难以满足电子电气(E/E)系统日益增长的电力需求。自20世纪50年代以来，12V系统逐渐成为汽车行业标准。2 进入21世纪后，48V轻混系统开始应用于混动总成，通过能量回收和再生制动提高整车效率。3 随着行业向更高电压架构演进，全车48V电气架构于2023年开始进入量产阶段。4
车用12V、24V和48V电池
汽车电气系统通常采用12V、24V和48V电池。12V电池主要用于乘用车，24V电池主要用于重型卡车、工程车辆以及其他商用车辆。而48V电池用于轻度混动汽车并为小型电机供电。目前，48V电池也开始在纯电动汽车的低压系统供电。
图1展示了简化的电驱动总成架构。传统汽车（即内燃机汽车）使用交流发电机为辅助电池充电。相比之下，混动汽车通过48V或高压(HV，定义为≥200V)电池为辅助电池充电。配备48V主电池的混动车型通常被称为轻度混动汽车。插电式混动汽车集成了高压电池，并具备车载充电功能。完全由高压电池驱动的汽车被归类为纯电动汽车(BEV)。
图1：简化的动力系统：(a)内燃机汽车，(b)混动汽车（无车载充电器）或插电式混动汽车（带车载充电器），(c)纯电动汽车
汽车电气系统的进步与挑战
汽车行业持续创新，不断推动车辆性能提升、座舱体验升级以及安全性能增强。一项显著的进展是混动汽车的推出，旨在降低油耗并提高整体效率。高分辨率显示屏与先进座舱平台的集成显著改善了用户界面，为驾驶员和乘客提供更丰富、更直观的座舱体验。
此外，自动驾驶技术的发展进一步推动了雷达和摄像头等感知系统的大规模应用。并且提升了安全性和整体驾驶体验。随着传感器、高性能系统级芯片(SoC)平台、计算单元和各种电子模块的不断增加，持续优化了驾驶动态和安全功能，也对整车供电系统的要求也持续提升，为汽车电源架构带来了新的挑战。
传统12V系统的局限性
历史上，持续增长的车载电力需求推动了从6V到12V系统的过渡；如今，类似的增长趋势再度对12V架构的能力边界提出挑战。自动驾驶技术的快速扩展和对汽车网联化的日益重视。电子控制单元(ECU)、传感器、信息娱乐模块和安全系统数量的增加，整体电力需求大幅上升。因此，汽车工程领域面临一系列新挑战，同时也迎来了进一步创新的机遇。
由于技术进步和高功耗元件的广泛使用，现代汽车的低压系统功率需求现已达到1.2kW至4kW。5 图2展示了上述发展过程，描绘了汽车应用中低压系统功率需求的演变。
图2：汽车低压系统功率需求演变示例6–8
48V系统优势
48V系统能够有效的支撑现代电气架构，能够通过替代传统机械和液压系统（如线控转向(2kW)和线控制动(2kW)技术）来满足日益增长的电力需求。与传统转向和制动机构相比，线控转向和线控制动系统提供更高的舒适性、安全性和车辆动态性能。先进的电气系统减少了座舱空间占用和整车重量，使内饰设计更具灵活性，并有助于提高燃油效率。此外，新型电气系统能够快速准确地响应驾驶员的控制输入。
随着电力需求持续增长，采用48V E/E系统具有显著优势。48V E/E系统的主要优势之一是电流较传统12V系统显著降低。电流降至原来的四分之一后，线束重量和印刷电路板(PCB)尺寸均得以减小。此外，线束功率损耗也随之降低，因为更细的导线电阻更低且电流更小，从而提高了效率。
根据美国线规(AWG)系统规范5–6，图3对12V和48V线束进行了总体比较。除考虑最大功率传输外，确保导线电阻引起的压降保持在3%以下也至关重要。这意味着导线电阻对12V系统的影响比对48V系统更为关键。根据铜的密度(8.96g/cm³)和成本($11.11/kg)，可以轻松计算出导线的重量和价格。
图3：12V与48V（2kW）线束的比较
48V系统的挑战
48V系统在电源管理IC层面的设计挑战包括：电磁兼容性(EMC)、电弧抑制和瞬态过压保护。
电磁兼容性
硬开关过程中产生的瞬态电压(dv/dt)和电流(di/dt)会对开关稳压器的EMC产生负面影响。电磁干扰(EMI)通常分为差模干扰和共模干扰：前者主要由寄生电感和瞬态电流引起，后者主要源于寄生电容和瞬态电压。如图4所示，半导体器件的导通和关断过程会产生瞬态电压、电流及功率损耗。比较12V和48V系统可知，48V系统的dv/dt更高，而12V系统的di/dt更高。虽然12V系统的导通损耗更大，但48V系统的开关损耗显著更高，导致开关过程中的寄生能量增加。上述情况可能在开关节点处引发更大振铃幅度，从而恶化EMI性能。
图4：开关功率损耗
为了在48V汽车电气架构中抑制电弧现象，必须严格遵守高于传统12V系统的先进绝缘、机械和环境设计标准。电压升高会增加因电场强度增大而产生持续电弧的风险，电弧温度可能高达数千摄氏度，加速端子、镀层和连接器外壳的老化。为确保系统可靠性，连接器解决方案必须按照IEC 60664-1及相关汽车低压标准的规定，精确设计爬电距离和电气间隙，以防止在正常和污染条件下沿绝缘表面或通过空气发生放电。此外，在汽车应用中采用48V系统也提高了IC、PCB和其他元件的爬电距离及电气间隙要求，以防止导体间发生意外漏电。图5展示了连接器内部的爬电距离和电气间隙路径。图6展示了IC内部的爬电距离和电气间隙路径。
图5：连接器爬电距离和电气间隙
图6：ADA4530-1的IC爬电距离和电气间隙
瞬态过压与浪涌
在汽车系统中，应对瞬态过压与浪涌对于保护敏感半导体元件至关重要。两项分别针对12V和24V系统的关键标准，即ISO 7637-2和ISO 16750-2，定义了对于瞬态过压与浪涌的防护要求。11 图7展示了ISO 16750-2规范下施加于12V和24V电源轨的测试脉冲波形。通常采用瞬态电压抑制器(TVS)将12V电源轨限制在35V，将24V电源轨限制在58V。
图7：ISO 16750-2示例
ISO 21780定义了48V电源轨电压范围，要求过压耐受能力达70V，尽管开关瞬态可能超过此水平。图8展示了电压范围，图9展示了短时过压曲线。
图8：ISO 21780瞬态电压
图9：ISO 21780测试03：抛负载
结语
48V系统能够显著降低线束重量和成本，并提升整车供电能力，是未来汽车电气架构的重要发展方向。然而，EMC、电弧抑制、爬电距离设计以及瞬态过压防护等挑战仍需重点关注。随着软件定义汽车和高阶自动驾驶功能的快速发展，车企正在积极评估并规划向48V架构的转型路径。
参考文献
1 “从马力到电池动力：汽车电池的发展历程”，GTK Marine Power。
2 “汽车电池的演变”，Clore Automotive。
3 Nick Goodnight，“汽车电池的演变”，Clore Automotive，CDX Learning Systems，2023年4月。
4 Mark Kane，“对行业大有裨益：福特等车企获取特斯拉Cybertruck 48V系统规格”，Motorsport Network，2023年12月。
5 Chinmaya Joshi，“将12V电池缩小一半并保持冷启动能力？”，Vicor，2022年。
6 K.Seifert，“如何迈向48V电气架构”，Aptiv，2023年。
7 Noa Margolin，“纯电动汽车面临传统方法无法解决的重量问题”，Vicor Corporation，2023年11月。
8 Thorsten Huck博士、Andreas Achtzehn博士、Felix Hoos博士、Alexander Fuchs、Jonas Stüble、Tobias T. Traub博士、Vasileios Kourtidis、Manuel Eder和Karsten Wehefritz博士，“为未来出行升级车辆电网”，Robert Bosch GmbH。
9 “如何选择适用于汽车应用的导线”，OGA，2022年5月。
10 “线规和电流限值，包括集肤深度和抗拉强度”，PowerStream Technology，2023年4月。
11 Dan Eddleman，“LTspice：ISO 7637-2和ISO 16750-2模型瞬变”，ADI公司，2017年4月。
作者简介
白玉杰是ADI公司的资深应用工程师，负责汽车电源产品的支持和应用。他于2020年加入Maxim Integrated（现为ADI公司的一部分），拥有美国迈阿密大学（俄亥俄州）电气工程硕士学位。
