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汽車行業正經歷深刻變革，從傳統內燃機汽車向電氣化、智能化和網聯化方向轉型。這一轉型正在推動下一代汽車架構的發展，包括軟件定義汽車（SDV），并持續重塑現有電子電氣(E/E)系統和整車供電架構。
本文概述了12V、24V和48V汽車電氣系統的發展歷程。從早期6V電池系統發展到當今用于輕度混合動力汽車和電動汽車的48V系統的歷程。同時重點介紹了48V系統在在線束減重和效率提升等方面的優勢，并討論了電磁兼容性、電弧抑制和瞬態過壓等技術挑戰。
引言
早期汽車依靠磁電機進行發動機點火并使用燃氣大燈，并未配備專用的電池供電電氣系統。20世紀20年代至20世紀50年代，6V電池被廣泛應用于汽車電氣系統。1 隨著汽車配備的發動機功率和壓縮比的不斷提高，6V電池無法提供足夠的啟動功率，也難以滿足電子電氣(E/E)系統日益增長的電力需求。自20世紀50年代以來，12V系統逐漸成為汽車行業標準。2 進入21世紀后，48V輕混系統開始應用于混動總成，通過能量回收和再生制動提高整車效率。3 隨著行業向更高電壓架構演進，全車48V電氣架構于2023年開始進入量產階段。4
車用12V、24V和48V電池
汽車電氣系統通常采用12V、24V和48V電池。12V電池主要用于乘用車，24V電池主要用于重型卡車、工程車輛以及其他商用車輛。而48V電池用于輕度混動汽車并為小型電機供電。目前，48V電池也開始在純電動汽車的低壓系統供電。
圖1展示了簡化的電驅動總成架構。傳統汽車（即內燃機汽車）使用交流發電機為輔助電池充電。相比之下，混動汽車通過48V或高壓(HV，定義為≥200V)電池為輔助電池充電。配備48V主電池的混動車型通常被稱為輕度混動汽車。插電式混動汽車集成了高壓電池，并具備車載充電功能。完全由高壓電池驅動的汽車被歸類為純電動汽車(BEV)。
圖1：簡化的動力系統：(a)內燃機汽車，(b)混動汽車（無車載充電器）或插電式混動汽車（帶車載充電器），(c)純電動汽車
汽車電氣系統的進步與挑戰
汽車行業持續創新，不斷推動車輛性能提升、座艙體驗升級以及安全性能增強。一項顯著的進展是混動汽車的推出，旨在降低油耗并提高整體效率。高分辨率顯示屏與先進座艙平臺的集成顯著改善了用戶界面，為駕駛員和乘客提供更豐富、更直觀的座艙體驗。
此外，自動駕駛技術的發展進一步推動了雷達和攝像頭等感知系統的大規模應用。并且提升了安全性和整體駕駛體驗。隨著傳感器、高性能系統級芯片(SoC)平臺、計算單元和各種電子模塊的不斷增加，持續優化了駕駛動態和安全功能，也對整車供電系統的要求也持續提升，為汽車電源架構帶來了新的挑戰。
傳統12V系統的局限性
歷史上，持續增長的車載電力需求推動了從6V到12V系統的過渡；如今，類似的增長趨勢再度對12V架構的能力邊界提出挑戰。自動駕駛技術的快速擴展和對汽車網聯化的日益重視。電子控制單元(ECU)、傳感器、信息娛樂模塊和安全系統數量的增加，整體電力需求大幅上升。因此，汽車工程領域面臨一系列新挑戰，同時也迎來了進一步創新的機遇。
由于技術進步和高功耗元件的廣泛使用，現代汽車的低壓系統功率需求現已達到1.2kW至4kW。5 圖2展示了上述發展過程，描繪了汽車應用中低壓系統功率需求的演變。
圖2：汽車低壓系統功率需求演變示例6–8
48V系統優勢
48V系統能夠有效的支撐現代電氣架構，能夠通過替代傳統機械和液壓系統（如線控轉向(2kW)和線控制動(2kW)技術）來滿足日益增長的電力需求。與傳統轉向和制動機構相比，線控轉向和線控制動系統提供更高的舒適性、安全性和車輛動態性能。先進的電氣系統減少了座艙空間占用和整車重量，使內飾設計更具靈活性，并有助于提高燃油效率。此外，新型電氣系統能夠快速準確地響應駕駛員的控制輸入。
隨著電力需求持續增長，采用48V E/E系統具有顯著優勢。48V E/E系統的主要優勢之一是電流較傳統12V系統顯著降低。電流降至原來的四分之一后，線束重量和印刷電路板(PCB)尺寸均得以減小。此外，線束功率損耗也隨之降低，因為更細的導線電阻更低且電流更小，從而提高了效率。
根據美國線規(AWG)系統規范5–6，圖3對12V和48V線束進行了總體比較。除考慮最大功率傳輸外，確保導線電阻引起的壓降保持在3%以下也至關重要。這意味著導線電阻對12V系統的影響比對48V系統更為關鍵。根據銅的密度(8.96g/cm3)和成本($11.11/kg)，可以輕松計算出導線的重量和價格。
圖3：12V與48V（2kW）線束的比較
48V系統的挑戰
48V系統在電源管理IC層面的設計挑戰包括：電磁兼容性(EMC)、電弧抑制和瞬態過壓保護。
電磁兼容性
硬開關過程中產生的瞬態電壓(dv/dt)和電流(di/dt)會對開關穩壓器的EMC產生負面影響。電磁干擾(EMI)通常分為差模干擾和共模干擾：前者主要由寄生電感和瞬態電流引起，后者主要源于寄生電容和瞬態電壓。如圖4所示，半導體器件的導通和關斷過程會產生瞬態電壓、電流及功率損耗。比較12V和48V系統可知，48V系統的dv/dt更高，而12V系統的di/dt更高。雖然12V系統的導通損耗更大，但48V系統的開關損耗顯著更高，導致開關過程中的寄生能量增加。上述情況可能在開關節點處引發更大振鈴幅度，從而惡化EMI性能。
圖4：開關功率損耗
爬電距離和電氣間隙
為了在48V汽車電氣架構中抑制電弧現象，必須嚴格遵守高于傳統12V系統的先進絕緣、機械和環境設計標準。電壓升高會增加因電場強度增大而產生持續電弧的風險，電弧溫度可能高達數千攝氏度，加速端子、鍍層和連接器外殼的老化。為確保系統可靠性，連接器解決方案必須按照IEC 60664-1及相關汽車低壓標準的規定，精確設計爬電距離和電氣間隙，以防止在正常和污染條件下沿絕緣表面或通過空氣發生放電。此外，在汽車應用中采用48V系統也提高了IC、PCB和其他元件的爬電距離及電氣間隙要求，以防止導體間發生意外漏電。圖5展示了連接器內部的爬電距離和電氣間隙路徑。圖6展示了IC內部的爬電距離和電氣間隙路徑。
圖5：連接器爬電距離和電氣間隙
圖6：ADA4530-1的IC爬電距離和電氣間隙
瞬態過壓與浪涌
在汽車系統中，應對瞬態過壓與浪涌對于保護敏感半導體元件至關重要。兩項分別針對12V和24V系統的關鍵標準，即ISO 7637-2和ISO 16750-2，定義了對于瞬態過壓與浪涌的防護要求。11 圖7展示了ISO 16750-2規范下施加于12V和24V電源軌的測試脈沖波形。通常采用瞬態電壓抑制器(TVS)將12V電源軌限制在35V，將24V電源軌限制在58V。
圖7：ISO 16750-2示例
ISO 21780定義了48V電源軌電壓范圍，要求過壓耐受能力達70V，盡管開關瞬態可能超過此水平。圖8展示了電壓范圍，圖9展示了短時過壓曲線。
圖8：ISO 21780瞬態電壓
圖9：ISO 21780測試03：拋負載
結語
48V系統能夠顯著降低線束重量和成本，并提升整車供電能力，是未來汽車電氣架構的重要發展方向。然而，EMC、電弧抑制、爬電距離設計以及瞬態過壓防護等挑戰仍需重點關注。隨著軟件定義汽車和高階自動駕駛功能的快速發展，車企正在積極評估并規劃向48V架構的轉型路徑。
