车载供电,为什么开始走向12 V与48 V并存?
12V 低压供电在汽车上已经使用了数十年。车灯、传感器、继电器、开关、天线以及大量车身电子,都围绕 12V 建立了成熟的器件体系与供应链。
真正需要改变的,是另一批负载。 线控转向 、线控制动、主动悬架、大功率电机以及越来越集中的计算与控制系统,让低压侧承担的功率不断增加。传统 12V 网络因此正在接近能力边界,高功率负载已经开始向 48V 迁移——整车低压用电功率需求已超过 6kW。
车载低压供电因此开始出现分工:需要更高功率的设备使用 48V,大量成熟的小功率设备继续使用 12V,两者通过 48V/12V DC-DC 连接。围绕这条路线,需要把三件事理清:48V 解决了什么、12V 为什么留下来、DC-DC 在中间承担了什么。
低压侧把电压抬到 48V,最直接的动机是减小电流。48V 约为 12V 的 4 倍,同等功率下电流可降至约四分之一:按 P=U×I,同样是 3kW 负载,12V 供电约需 250A,48V 供电约需 62.5A。电流约束直接落在线束、连接器与铜排上——规格随电流上升,压降、导通损耗与发热更难处理;功率达到千瓦级以后,继续用 12V 输送大电流,会直接影响线束重量、布置空间与热设计。导通损耗与电流平方成正比,电流降到四分之一,同等线径下损耗明显下降,线束与接插件也能相应减重、降本。
48V 的引入方式也是由此决定的——不是把整车低压体系整体换成新电压,而是走一条中间路线。它不改变高压动力总成,只在低压侧增设一条 48V 母线,与原有 12V 系统并存,48V 承担大功率负载,12V 继续覆盖小电流设备。集中式算力、线控执行、主动悬架与高带宽感知等负载都需要稳定且余量充足的供电,整车低压用电功率需求已超过 6kW,48V 承担其中高功率的一侧。
48V 并非凭空出现。它较早以轻混(MHEV)系统的形式落地,用于启停、再生制动与轻度助力,如今被沿用为整车低压升级的通用电压等级。选择 48V 而非更高电压,也兼顾了安全与成本——48V 仍处于常用的安全特低电压(SELV)限值以内,不需要高压系统那套绝缘、屏蔽与高压互锁要求。因此,48V 在既有低压安全框架允许的范围内,把功率上限抬高,而不是把原有体系整体推倒重来。
线控转向 是 48V 的典型应用。转向电机需要较大功率,采用 48V 供电可以降低电流;同时,线控转向取消了方向盘与转向轮之间的机械连接,转向完全由电信号传递、由电机执行,一旦供电或控制链路失效,车辆将失去转向能力。这里有两类要求:48V 解决功率,冗余解决失效后的安全。
线控转向的冗余目标是失效可运行(fail-operational)——故障后仍能维持基本转向功能,而不是像更常见的失效安全(fail-safe)那样进入安全静止状态。 英飞凌 的线控转向方案以完全平行冗余实现这一目标:电源、MCU、通信、执行器驱动与传感器均采用平行冗余设计,冗余电源、冗余通信与冗余执行互为备份,在其中一路失效时维持系统运行。
48V 增加之后,12V 并没有消失的理由。灯具、传感器、继电器、开关、指示灯、天线与总线收发器等设备,单个体量小、电流不大,12V 下已经能用很细的线束;把它们全部改到 48V,在线束与效率上未必有收益,却需要器件、接口与供应链整体重新适配。 英飞凌 技术说明指出,这类 12V 设备已经非常成熟,大量小电流负载升级到 48V 没有必要,因此 12V/48V 并存会持续相当长的时间。
换句话说,汽车低压系统不是把 12V 体系整体换成 48V,而是按负载功率重新划分——48V 承担大功率侧,12V 继续覆盖小功率电子设备。
并存的前提,是两套电压之间有一个可靠的转换环节。48V/12V DC-DC 最基本的任务,是把 48V 降压后继续给 12V 负载供电;双向则意味着能量可在两条母线之间双向流动——既可由 48V 侧向 12V 负载供电,也可在 12V 支路的感性负载产生脉冲波时,将能量反向送回 48V 侧供电回路,由 48V 蓄电池吸收。采用 48V 架构的车辆不再配备单独的 12V 蓄电池。DC-DC 因此不再只是降压模块,开始参与两个电压域之间的能量管理。
英飞凌 的 48V/12V DC-DC 方案采用可无缝切换的双向拓扑,转换效率达到 97%。无缝切换用于保证方向或模式切换过程中 12V 侧供电的连续性,并实时吸收反向感应脉冲波。在整车设计层面,能否在轻载、满载等不同工况下都维持高效率,直接决定模块的体积与散热,也影响整车减重空间——高效的双向 DC-DC,是把 48V 架构嵌入现有车辆、而非推倒重来的关键接口。
48V 进入整车后,DC-DC 放在哪里成为新的设计问题。过去可以集中设置一个电源转换模块,再通过 12V 线束把电送到各个设备;英飞凌提出的 Zonal 方案,是把 48V/12V DC-DC 直接集成进区域控制器(Zone Controller):48V 负责较高功率的低压配电,到车辆各个区域后,需要 12V 的设备再由当地控制器就近降压供电。
这样做直接带来的好处,是减少 12V 大电流在整车内的长距离传输。区域控制器承担的职责也随之增加——除通信、负载控制与电源分配外,还要完成 48V/12V 转换,这对器件的尺寸、效率与散热提出了更高要求。
两个电压域并存,具体的落点之一是功率器件与电源芯片。在 48V/12V DC-DC 中,英飞凌提供 AURIX™ MCU、OptiMOS™ 7 MOSFET、栅极驱动与供电 IC 的组合,可支持多相双向 Buck 与开关电容转换器(STC)等拓扑;在 48V 配电与负载控制中,则有 PROFET™ 智能功率开关、相应的 MOSFET 与驱动器。
器件材料也有新的选择。英飞凌的 100V CoolGaN™ Automotive 系列已经把 48V/12V DC-DC 列为目标应用。GaN 并不会立即替代硅 MOSFET,但在对效率、尺寸与功率密度要求较高的 48V 转换应用中,它正成为新的器件选择。
对功率半导体而言,48V 改变的不只是 DC-DC 的数量——功率分配、智能开关、电机驱动、栅极驱动、MCU 与功率器件的工作电压和设计要求也都会跟着调整。
48V 并没有让 12V 失去价值。变化来自高功率负载增加之后,12V 独自承担全部低压供电的代价开始上升。更现实的结果是:线控执行、主动悬架、大功率电机等负载逐步使用 48V;灯具、传感器、通信器件等成熟设备继续留在 12V;48V/12V DC-DC 负责两个电压域之间的转换与能量管理。
接下来要判断的具体问题是:哪些负载值得迁移到 48V,哪些继续留在 12V;DC-DC 集中布置还是进入区域控制器;每个区域需要多大的转换功率;功率器件采用硅 MOSFET 还是 GaN。回答完这些问题,下一代车载低压供电系统的设计才能落定——12V 仍会长期存在,48V 承担过去由 12V 单独承担的高功率部分。