为什么现在的汽车系统选择48V电源

虽然48V汽车系统提供了许多好处和挑战,但汽车制造商必须决定如何实现最大化效益和降低成本的转变。但为什么是现在?48V的汽车系统并不新鲜。多年来,这些技术帮助提高了小型混合动力汽车的效率和性能。

对48-V系统的新兴趣可能与电池电动车和混合动力车(HEV)日益流行有关。用高压电池发电48V的电动或混合动力汽车可以实现48V系统的重要效益。增加48V低压钢轨可以降低为整个车辆提供电力的线束的尺寸,并降低下游半导体部件(如电源开关和电动机驱动器)的负荷-电流要求。因此,48-V系统可以提供比12-V系统更多的能量,为增加从人工智能到迷你冰箱的功能提供了机会。

政府的法规和税收优惠措施正在帮助加速向BEV的转变。为满足政府的要求,改善客户体验,Bev原装设备制造商正在寻求优化成本、重量和练习范围。从电气学的角度来看,可以通过 区域架构 或使用48伏低压轨配电。

在20世纪早期,汽车工业使用6V轨道提供电力,直到电力/电子(E/E)系统的电力需求迫使市场转向12V。如今,如今功能丰富的汽车正在推进12V轨道的极限,将汽车制造商推到48V,这既带来了挑战,也带来了机遇。

20世纪90年代末,推动了42-VE/E系统。但是,OEM由于缺乏高效电动机而放弃了这种方法,市场转向了使用高压起动发电机的mhev。虽然"第一个"48-V系统,他们只使用48-V电池和小型电动机协助内燃机,这减少了燃料消耗和提高了效率。

主要的低压钢轨电力电子/E系统仍然在12V,需要一个大双向转换器之间的48V和12V钢轨,增加了一个巨大的成本负担。相比之下,高电压汽车、插插式混合动力汽车和BEVS可以使用高压电池制造48V低压轨道,为整个E/E系统供电。

由于装饰线和平台有限,未来的Bev平台是OEM实现48V汽车系统的主要目标。向电动车的过渡也增加了对电动车和电动车的投资。

减少线束

减少线束的第一个主要尝试是引入区域结构,该结构通过基于位置的分组功率分布、通信和负载驱动而不是功能来优化车辆中的线路。 区域结构通过使用智能半导体引信取代用于配电的传统熔化引信,并充当从中央计算机到传感器、执行器和电子控制单元(ECU)的通信网关,减少车辆线路。

在下一代区域架构中包括48V低压钢轨,可以进一步降低线束的重量和成本。48V的钢轨可以减少电线表,同时减少线束的电力损失,并可能缩小印刷电路板(多氯联苯)的尺寸,因为电流减少,以提供相同数量的电力(例如,12V时为25%,而12V时为100%)。

一个区域控制模块需要100A才能在12V上交付1200瓦。相比之下,48V的铁路只需要25A级才能运送1200瓦。电压翻两番,电流降低四分之一,使线束成本和重量降低85%。

对于一个窗口电动机,20A12V成为5A48V,从而节省60%的成本和52%电线重量。随着负载-电流需求的减少,移动到48V的线束效益也降低。

移动到48V的主要好处是减少电线表,但电线成本并不是唯一的因素。如今,在车辆上安装厚的电线表,如4条特设工作组。降低48-V系统中的线规,可以使用自动化制造工艺安装线束,大大降低成本。

48-V架构

在优化48-V系统的布线束时,OEM需要评估不同的架构。 在实施48V低压轨道时的三种选择:48V级初级配电和12V级局部配电;48V级配电和12V级配电;12V级配电和48V级高压负载。

48-V设计中破坏性最小的方法是使用48-V轨道为高电流负载提供动力,并将其他所有设备保持在12V。然而,48V和12V可以分布到区域控制模块或其他ECU,但这种方法提出了一些挑战。两个电压的分布使线束的路由成为一个因素,因为在同一线束中,12V和48V的路由都可能导致潜在的短从12V到48V。功能安全方面的考虑也会增加费用,因为可能需要多余的12-V和48-V用品。

一个更激烈的设计变化是直接移动到48V电力分配架构,并创建一个12V轨道当地需要。用本地12V实现48V分布是实现移动到48V的最大效益的最佳架构,因为它提供了最大的减少线束尺寸和成本。

在具有12V本地架构的48V配电中,有许多选择可以在ECU上创建本地12V轨道或完全选择不同的电压(25V、16V、5V、3.3V)。

在分布式架构中,具有低功率要求的多个直流/直流转换器可以为不同的负载组合创建12V轨道。这一方法使直流/直流转换器能够使用集成MOSIFT,以及自由选择电压(例如48V至3.3V)和更好地在多氯联苯上热扩散。

如果OEM想要重新使用现有的12-V设计,中心12-V轨道是更容易的方法。在这一架构中,一个始终如一的DC/DC转换器为功能安全的临界负载提供电源,而一个具有大功率需求的DC/DC转换器为12V系统的其余部分提供电源。另一种选择是使用双向48V至12V直流/直流转换器,使电动机的反电动势,或12V轨的正瞬态电压能流回48V轨。

设计挑战

采用48-V低压轨的设计挑战包括瞬态电压、渗流和间隙要求、电磁兼容性标准和IC成本。

在48-V系统中,瞬态电压是对话的主要话题。今天,12-V系统是众所周知的,其标准如ISO16750-2,规定了最坏情况下的电压瞬态曲线,如负载转储。对于48-V系统,今天可用的标准是为需要最多70V的超电压点的mhv制定的。但是,当考虑到转换暂态或组件边缘时,它会导致组件评级大大高于70V。

MHVV的标准虽然作为起点是有用的,但不一定适用于在没有大功率启动发电系统的情况下从高压电池上发电48V的电力或混合动力系统。在一个Bev48V低压网周围的精确标准仍在定义中,但OEM可能会开始发展自己的标准,以包含低于70V的线路暂态。

虽然60V和70V之间的差别看起来很小,但是集成电路控制器容纳更高电压的成本并不一定是线性的。此外,即使有可能控制供应范围,重要的是要考虑利用故障模式事件的可能性,例如ISO7637-2地址等现行标准。

漏电和间隙要求是行业标准测量的最短距离之间的电路板上的导电部件。它们是防止两个点之间的电压超过击穿电压时发生的弧度的关键设计参数。渗透和清除有很多标准(独立信息委员会60662-1和IPC2221A),OEM甚至可能有自己的内部指导。从12V到48V的移动增加了渗流和间隙的要求,直接影响IC包、电路板布局、线束连接器等。

48-V系统的一个微妙的影响是,虽然它们有助于减少传导损失,但开关损失也会增加。这对于直流/DC转换器和电动机驱动器等开关电源转换器的EMC测试是相关的。增加电压(V) 数据交换系统 )由12V至48V允许电流(I) 数据交换系统 )减少。但是,如果死亡率( t R + t F )在48-V系统中,与12-V系统相同,然后是四倍的开关损耗 .

当影响开关损失的因素越来越多时,说明在48-V系统中,转接速率是如何影响切换损失的。有几种方法可以帮助 减少直流/直流转换器中进行的排放 .

虽然48V系统可以降低线束的重量和尺寸,节省实际铜线和制造成本,但对话回到成本。采用48V有许多好处和挑战,将在某种程度上影响成本,无论是在IC层面还是系统层面。OEM将需要决定何时和如何将48-V系统纳入其中,以最大限度地提高效益和降低成本。市场和半导体供应商已经为48-V系统做好了准备,最近的车辆创新证明了这一点。