汽车48V电气系统的用途和市场趋势

早期汽车的 12V 电气系统只能满足点火和基本照明需求。随着现代汽车引入了电动转向、泵和暖通空调(HVAC)等高能耗设备，电力需求大幅增加，对 12V 系统构成了挑战。因此，汽车行业正转向 48V 电气系统，这不仅提高了功率输出，支持更多高级功能，还通过使用更细的线束和小型连接器，减轻了重量，节省了成本，为安装更多电子设备提供了空间。本文为《 48V 电源网趋势白皮书 》第一部分，主要介绍系统用途、市场趋势和系统描述。

系统用途

48 V 技术的应用逐渐扩展到 MHEV 领域之外，纯电动汽车 (BEV) 也开始采用 48 V 组件。虽然 BEV 使用高压电池组(通常为 400 V 或 800 V 架构)来为电机供电，但对于某些应用，48 V 可带来显著优势：

减小线缆尺寸： 48 V 系统支持使用更细的线束来为散热风扇、 车舱通风系统和座椅加热等现有功能供电。这不仅可以减轻车辆重量，而且在需要较低电流的情况下，还能提高能效。

高压 (HV) 不适用的场景： 主电池组的高电压不适用于座椅加热等功能，而且需要额外的安全措施。对于这些应用来说，48 V 系统在节能和安全性之间实现了良好的平衡。

此外还为先进驾驶辅助系统 (ADAS) 和潜力十足的全自动驾驶汽车奠定了基础。电动转向、线控转向和线控制动(电子线控)都需要消耗大量电力，而电子线控系统更是对可靠性 、安全性和冗余度提出了更高的要求 。与 12 V 系统相比，48 V 系统可使线控转向等大功率组件的冗余执行器更轻、更具性价比。

市场信息和趋势

多电压电气架构是未来趋势

48 V 系统越来越普及， 未来车辆可能会混合使用 12 V、 48 V 和高压(通常为 400 V 或 800 V) 电源网络 ，而且传统的12 V 配件也逐渐迁移到 48 V 系统， 耗电较高的组件首先受到影响，例如电动转向 (EPS)、悬挂系统、用于加热/冷却车舱和电池组的 HVAC 压缩机。

现有 12 V 系统仍将由 DC-DC 转换器支持，由 HV 母线或 48 V 电池供电。然而， 随着越来越多的组件转向 48 V 电源，该系统将成为汽车内非动力系统的主要电气系统， DC-DC 转换器的尺寸预计会减小，复杂性会降低。48 V 技术方兴日盛， 但全面应用尚需时日。美国汽车制造商正在引领这一变革，而亚洲和欧洲市场正在探索 48 V 的潜力， 尚未形成明确的发展方向。其他较大型制造商则采取了更为谨慎的态度，目前仍坚持使用 12 V 系统。

区域控制架构除了电动汽车电气系统从 12 V 转向 48 V 之外，车辆电源架构也正发生变革。汽车行业正从集中式配电转向一种更分散的方法， 即区域控制架构。

区域控制架构将车辆划分为不同的区域。单个主配电单元 (PDU) 充当配电树的第一级。PDU 直接连接到 48 V 或 12 V电池，并智能地将电力分配至车辆内的每个单独区域。

区域控制器取代了过去分散于汽车中的许多电子控制单元 (ECU)， 负责分配电力并管理相应区域中的电气器件。

其主要优点在于可以用基于半导体的受保护开关代替传统保险丝， 这些开关可通过微控制器 (MCU) 接通和断开，这意味着可以在发生故障事件后复位，而不必更换。此外，受保护的半导体开关可以向汽车计算机提供诊断信息，有助于解决电气问题。

图 1：具有 3 个区域的区域控制架构示例：前部、中部、后部

车辆区域控制架构中的低压配电低压电源网是电动汽车区域控制架构中的关键要素。如随附的框图所示， 电力来自高压 (HV) 电池组(通常为 400 V 或800 V 电池架构) 。HV-LV DC-DC 转换器将高压降压，为 LV 网络供电：48 V 或 12 V 电池。根据制造商和汽车型号，汽车可能只有一种 LV 电池，或者有两种电池，每种电池使用单独的转换器。

低压配电系统的主要器件48 V 和 12 V 可能共存于同一辆车中，因此 HV-LV 转换器可以直接为 48 V 电池供电，而额外的 48V - 12V 转换器可以充当中间降压级。在集中式配电模型中，单个较大的 48V - 12V 转换器(约 3 kW) 为 12 V 电池供电。相比之下，区域控制架构采用分布式方法， 在域控制器 (ZCU) 内嵌入多个较小的 DC-DC 转换器。

使用单独的主配电单元 (PDU) 和 ZCU 时，电力从电源流过 PDU 和 ZCU，然后到达特定区域内的各个负载。PDU 位于ZCU 之前， 通常还直接为大电流负载供电。ZCU 则负责为车辆指定区域内的大多数负载分配电力。

目前市场上主要有两种方法：

一体式 PDU 和 ZCU：第一种方法将 PDU 和 ZCU 功能集成在单个模块中。

分离式 PDU 和 ZCU：第二种方法使用独立的 PDU 和 ZCU 单元。这段概述阐明了低压电源网在车辆区域控制架构中的作用。下面的框图直观地呈现了该电力流及不同的实现方案。

这段概述阐明了低压电源网在车辆区域控制架构中的作用。下面的框图直观地呈现了该电力流及不同的实现方案。

系统描述

电动汽车电力流：聚焦能效

电动汽车的运行离不开高效的能量流管理。我们可以从三个主要方面进行分析 ：电力的产生、转换和消耗 。优化这些阶段是尽可能增加行驶里程和降低每公里能源成本的关键。

MHEV 引入了 48 V 系统，48 V 电源由起动发电机产生。在当今的 BEV 中， DC-DC 转换器将高压电池的电压降至较低水平，此转换过程可以通过一个较大的转换器集中进行，也可以通过多个较小的转换器分布式进行，就像区域控制架构一样。

需应对的挑战是如何在全车中高效分配电力，同时尽量减少线束和电缆的重量。

车辆内的负载会消耗电力。因此，从系统中的最大负载开始， 大功率负载预计会迁移至 48 V。

自动驾驶汽车需要更多电力来驱动中央计算单元、先进驾驶辅助系统 (ADAS) 和基于 AI 的复杂方案。

表 1：两种电池类型的电力产生和转换。