本文作者：Jaylen Fu，Andre Mourrier
1. 48V電源系統介紹
目前國內汽車行業對於整車低壓48V電源系統有很大的熱情。48V並不是一個全新的技術，過去幾年無論是燃油車還是新能源車都已經有使用48V作為輔助電源。以下我們將對整車12V及48V電源系統做一個簡單的介紹。
傳統燃油車以12V作為主要的低壓電源系統，為了降低碳排放，在原本的12V系統上增加了一套48V電源系統來驅動電機，提供輔助的動力輸出，這就是我們的輕混車系統，但這套系統也增加了一定的成本。
純電車也以12V作為主要的電源系統，但是隨著整車功能越來越豐富，有些純電車增加了一套單獨的48V電源系統，為一些大功率的負載（例如電子防傾桿、主動懸吊等）提供電能。這些功能大大提升了終端用戶的使用體驗，但同時也帶來了整車系統成本的上升。
隨著整車功能越來越複雜，電壓系統的功率需求也越來越大。為了降低大功率低壓系統的成本，一些主機廠提出將整車低壓系統從12V升級到48V。然而，目前由於48V的供應鏈尚未完全成熟，不得不保留部分12V系統。目前國內的主機廠主要研究的是12V和48V混合的電源架構。
2. 48V收益分析
48V電源系統相比於12V系統，電壓提升了4倍。根據簡單的P=UI公式，對於相同功率的應用，電流將變為原來的1/4。整車工作電流的降低為整車帶來了許多好處，以下內容將從電流減少後帶來的收益進行討論。整車成本的變化是一個系統性的話題，本文僅從48V系統產生的收益方面進行分析。整車採用48V系統後仍然面臨許多挑戰，因此無法從本文中評估出48V系統對整車成本變化的影響。
降低線束成本
整車的線束線徑是根據其通過的電流來決定的，電流越大需要使用越粗的線束。以1kW應用為例進行分析，12V系統線束上會流過83.3A的電流，需要大約10mm²的線束；48V系統線束上流過20.8A的電流即可，對應需要大約1.5mm²的線束。因為使用了更細的線束，線束成本將會大大減少。我們以銅價來簡單估算一下10米線束的成本變化：
- 10mm²的線束中銅的重量按照89.6g/m來估算，那麼10米線束中銅的重量為896g。
- 1.5mm²的線束中銅的重量按照13.44g/m來估算，那麼10米線束中銅的重量為134g。
按照0.075元/克的銅價估算，48V相較於12V，10米線束將節省85%（57.15元）的成本。
如果考慮整車最小線徑的限制，透過計算整車不同功率的線束長度，即可估算出整車改為48V後所有線束節省的成本。
更低的功率損耗
CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle，中國輕型車測試循環）續航里程測試標準的平均車速為28.96km/h，假如某車的CLTC續航里程為700km，整個CLTC續航里程的測試時間為24小時，那麼車輛行駛時的功率損耗每減少41W（1kWh/24h），在相同的CLTC續航里程下，整車動力電池就可以減少1度電。降低整車的功率損耗不僅可以簡化熱設計、減少碳排放、增加續航里程，還可以降低整車動力電池的成本。
48V系統可以降低整車功率損耗，主要是因為電流的明顯減少。還是以1kW應用為例，對10米線束上的功率損耗進行分析：
- 10mm²線束的線阻為1.82mΩ/m，流過83.3A電流，10米線束產生的功率損耗達到126W；
- 1.5mm²線束的線阻為12.7mΩ/m，流過20.8A電流，10米線束產生的功率損耗達到55W；
1kW應用的10米線束，線上的功率損耗可以降低56%（減少71W），對應的動力電池可以減少1.73度。如果48V使用更粗的線束，雖然會增加一些線束成本，但是可以增加續航里程或者減少動力電池成本。具體如何平衡線束成本和功率損耗，需要做更詳細的數據評估。
除了減少線束上的功率損耗之外，整車所有用電設備的功率損耗也會隨著電流的減小而顯著降低（P=I²R），包括MOSFET、DCDC、高邊開關等等。
更靈活的功率元件選擇
從12V系統改為48V系統，所有與48V相關的半導體元件耐壓都需要提升，半導體元件的設計和製造工藝也必須升級，這無疑會帶來部分成本的增加。然而，對於通過較大電流的功率元件（75W以上），在相同功率條件下根據P=I²R，電流將減少為原來的1/4，因此可以選擇原來16倍Rdson的半導體元件。
還是以1kW應用舉例，假如在12V應用中選擇Rdson低於0.15mΩ的MOSFET，那麼在48V同功率應用中可以選擇Rdson低於2.4mΩ的MOSFET。功率元件的選擇更多，對於更大功率的應用也不需要MOSFET並聯，簡化了系統的設計複雜度。如果在48V系統設計中選擇更低Rdson的功率元件來減少半導體元件上的功率損耗，不僅可以增加續航里程，還可以減少熱設計的複雜度。
更簡單的熱設計和電流設計
功率越高，汽車用電設備的熱設計就越複雜。48V系統的電流減少後，應用於電設備的熱功率也變得更低，使得整車的熱設計變得更容易。原本12V大功率的用電設備必須使用金屬散熱片甚至水冷，改用48V系統後可以使用普通的塑膠外殼。不僅減少了功率損耗，節省了材料成本，還能降低整車的重量。
超過100A的大電流接插件成本很高，甚至可能無法找到合適的接插件。對於12V系統中超過1kW的應用，需要特殊的接插件和線束支持。如果改為48V系統，原本100A的電流會降低為25A，接插件的成本會更低，同時接插件的選擇性也會更多。當然，還需要考慮48V接插件需要提高耐電化學腐蝕的特性，以及防止電弧等新的特性要求。但總體來說，48V系統讓大功率接插件的選型變得更容易。
減輕整車重量
線束、接插件和散熱片的設計與使用都會影響整車重量，而這些零件的選型和設計與其流過的電流有直接關係。隨著48V系統的電流減少，整車的重量會有明顯的降低。相關研究表明，新能源汽車每減少100公斤重量，續航里程可提升10%-11%，還可以減少20%的電池成本以及20%的日常損耗成本。現在的電動車車重越來越大，整車輕量化同時可以簡化許多線控底盤功能（轉向、制動、懸吊）的開發，由此可見整車輕量化是未來的必然趨勢。
由前面的線束分析可以看出，48V電源系統可以使用更細的線束，這意味著整車線束的重量會有明顯的降低。以1kW應用的10米線束為例，銅線的重量從896克減少到134克，重量減輕了85%。
更低成本的大功率功能開發
汽車的功能越來越多，有些新功能的功率需求非常大。對於超過1kW的應用，需要特殊的線束、接插件和散熱設計，甚至更大的功率根本無法實現。只有提高系統電壓，才能支援更多的功能，同時大幅降低大功率系統的成本。隨著汽車品牌向上發展的需求，未來整車將需要更大的功率來增加車輛功能，提升品牌形象。
3. 英飛凌的48V半導體產品
英飛凌針對48V的應用不僅在汽車行業，還在伺服器和通信電源領域擁有多年的客戶應用經驗，同時累積了豐富的48V半導體元件。隨著整車功能的增加，特別是線控底盤等技術的發展，低壓系統的輸出功率需求越來越大，48V電源系統將成為未來重要的技術方向之一。英飛凌作為汽車行業領先的半導體廠商，不僅可以為48V應用提供電源晶片、高邊開關、Gate Driver、橋驅晶片和MOSFET等半導體元件，還可以為客戶提供48V智慧配電、HV-48V DCDC、48V-12V DCDC、48V線控底盤控制器、48V熱管理控制器等系統級解決方案和技術支援。英飛凌現有的48V半導體元件和Demo板可以滿足目前大部分的48V應用需求，並且可以支援OEM和Tier1進行快速評估。
但未來的48V依然面臨許多技術挑戰：48V電壓標準不完善限制了新的48V半導體元件的開發，尤其耐壓的標準對半導體元件影響很大，原有小功率執行器（如水泵等）採用LIN通訊在48V平台上急需低成本的替代方案。48V的爬電距離不僅會影響PCB板的設計，還會影響到半導體元件的封裝。從整車角度來看，48V的電弧檢測和抑制更加重要，同時12V和48V混合電源系統中，任何一個單點失效都不能導致48V和12V短路，整車接地和佈線也會變得更加複雜。未來，英飛凌將針對這些挑戰開發更多的48V半導體元件，推動48V技術的發展。
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