如何实现飞跃至48V电气架构

How to Make the Leap to  48V Electrical Architectures

 

即使不考虑从内燃机向电池电动汽车（BEV）的过渡，当今汽车的电力需求也变得令人生畏。车内的每一个设备——从空调和座椅加热器到照明和信息娱乐系统——都需要电力，而提供电力的电线必须有足够大的直径来支持电流。

 

大量的设备及其相应的导线在封装和布线方面带来了巨大的挑战。随着OEMs专注于提高燃油经济性和电动汽车续航里程，所有这些电线的重量和成本都受到了越来越多的审查。

 

缩小线规并降低重量和成本的一种方法是从12V的电气架构转变为基于48V的架构。但转向48V的OEMs必须特别注意几个关键的设计考虑因素，以确保系统的安全性和可靠性。

 

 

12V的起源

 

这不是车辆电气架构中的第一个拐点。70年前，汽车行业也面临着类似的挑战，尽管规模较小。在20世纪50年代之前，大多数汽车都使用6伏电池和电气系统。含量和铜价的上涨推动了一场革命，在十年的时间里，全世界的汽车都变成了12V。

 

因为电功率由方程P=V×I（功率等于电压乘以电流）决定，所以将电压加倍意味着设备可以用一半的电流接收相同的功率。电流决定了电线的直径，因为较厚的电线电阻较小，因此需要安全地承载更高的电流。反之亦然：较低的电流可以安全地流过较细的导线，因此减少电流可以使用较小的导线、端子和连接器，所有这些都可以减轻重量和材料成本。

 

 

因此，增加电压是解决增加功能、包装、重量和成本增加问题的重要工具。自20世纪50年代以来，流经12V系统的平均电流量增加了650%以上。显然是时候进行另一次架构大修了。

 

 

为什么是48V？

 

现在12V已经变得过于有限，许多汽车OEMs将48V作为最合乎逻辑的前进方向，因为它达到了最佳点：将电压增加四倍可将电流减少四倍，同时保持远低于60V的极限，这是通常公认的防止触电危险的保护措施。通过采用48V，在过电压的情况下，设计可以得到高达60V的保护。

 

除了能够实现明显更小的端子和布线之外，更高的电压更省电。欧姆定律规定P=I2R（功率等于电流的平方乘以电阻），所以因为48V中的电流体系结构是12V体系结构中电流的四分之一，理论上由于电力输送系统中的电阻引起的任何电力损失减少了16倍。当然，电阻会随着导线尺寸的减小而增加，因此实际损耗将取决于系统优化。尽管如此，随着电流的减少，当驱动负载时，导线上的电压降也会更小。一些设备，如启动电机，也将受益于更高的工作电压。它们将需要更少的铜并提供更多的扭矩，同时可能具有更小的封装尺寸。

 

 

 

设计考虑

 

如果从12V到48V的过渡提供了所有这些优势，为什么汽车行业还没有转变？它在过去曾被考虑过，但12V背后的行业势头不容低估。该行业已经使用12V系统70年了，切换到48V将需要新的设计和许多设备的重组。同样值得注意的是，并非所有设备都会从12V切换到48V。一些较小的设备消耗较少的功率将保持在12V。此外，随着市场向纯电动汽车过渡，一些设备将以电池组电压运行，通常为400V或800V。

 

在48V有意义的情况下，设计者必须采取几个步骤来确保系统的安全性和可靠性。

 

 

密封要求

 

如果48V连接器意外暴露在盐水等电解质中，所产生的电化学腐蚀反应会比12V时更强烈地侵蚀端子，因此设计者在决定是否必须密封连接器时应牢记这一点。无论指示在何处进行密封，一定要使用经过验证的坚固密封技术。

 

 

 

防电弧

 

电弧是一种与电压水平和端子之间的间隔有关的风险。电弧的温度在2800°C到19000°C之间。当12V电路断开时，可能会出现小电弧，但通常会很快自行熄灭。在48V电压下，电弧有可能持续更长时间，并对端子和连接器造成灾难性损坏。为了防止这种情况发生，连接器中的端子应适当间隔，并应特别小心避免热断开。

 

避免有间歇性接触、微动腐蚀或端子退出（TPO）。如果端子接触不稳定，微电弧会破坏镀层或损害端子基底金属，导致高电阻或焊接连接。

 

利用有效的端子二次锁定，确保端子完全锁定在连接器中。TPO可能导致缓慢或间歇性的电源断开，从而导致破坏性电弧。

 

在维修48V接头之前，应断开48V电源。缓慢断开通电连接系统可能会导致电弧延长，并产生热后果。

 

 

电压分离

 

在混合电压系统中必须采取特殊预防措施，以确保电流不能从48V设备流到12V设备。隔离在不同电压下运行的电路是最好的解决方案。

 

保守的方法是避免连接器同时具有48V和12V电路。如果无法做到这一点，则应对连接器进行分区，以在物理上分离电压。布线线束时，最好将48V和12V电路分开，但并非总是可能的。

 

避免在电线绝缘层可能损坏的区域布线48V引线，必要时使用覆盖物。电线绝缘受损会导致车辆中的接地金属产生电弧。此外，对于不同的电压设备，应避免使用相同的接地螺柱。如果接地螺柱松动或分离，电流可能通过共享连接从48V设备流到12V设备。

 

 

爬电和间隙

 

即使48V被认为是低电压，电弧也会带来风险。为减少风险，连接器的设计必须满足爬电和间隙要求。

 

爬电：绝缘材料表面上两个导电点之间的最短距离

 

间隙：导线之间通过空气的"视线"距离

 

 

 

爬电距离和间隙注意事项

 

无论是鉴定现有连接器还是为48V系统设计新连接器，都应使用IEC 60664-1 3.0版（2020-5）规范来确定适当的爬电和间隙，以满足连接器中端子位置的要求。爬电是绝缘材料表面上两个导电点之间的最短距离。间隙是指导体之间的“视线”或通过空气的最短距离。在应用规范时，重要的是要保护60V，即过电压范围的上限。

 

对密封和未密封的连接器（通常为2级或3级）使用适当的污染程度，并根据IEC 60112/UL 1950中定义的比较跟踪指数（CTI）选择正确的材料组。CTI是材料能够承受50滴污染水而不会由于电应力而形成导电路径的最大电压，湿度和污染。大多数具有传统端子间距的汽车连接器和接头将满足间隙要求，但有些连接器和接头需要细微的设计更改才能满足爬电要求。

 

 

48V的兴起

 

基于48V的电气架构提供了许多好处，但必须仔细遵循设计指南，以减轻与更高电压相关的任何风险。

 

随着48V设备在现代混合电压车辆架构中变得越来越普遍，先进的技术可以帮助确保架构能够支持它们。例如，线束自动化可以显著提高，降低端子退出的风险。48V固态电气中心的先进软件算法可能能够检测和减轻电弧。定义各种车辆类型的电网架构将有助于建立满足所有功能安全要求的48V电源和备份。印刷电路板和其他元件的设计可以使配电模块在48V电压下更小、更凉爽、更便宜。

 

 

48V的颜色编码

 

在汽车行业，橙色连接器和电线与高压是同义词，包括60V以上的任何电压。这种颜色编码系统清楚地识别了在没有适当的安全培训和个人防护设备的情况下不应触摸哪些部件。

 

尽管48V不被视为高电压，但电弧等现象的风险增加导致48V连接器需要进行颜色编码，浅蓝色是首选。

 

这一建议的根源可以追溯到叉车。多年来，电动叉车一直依赖不同电压的电池，因此制定了电池连接器的颜色指南，以避免使用错误的电池。如今，用于48V连接的蓝色连接器标准已被许多行业采用，并且很可能用于48V汽车连接器和电线。

 

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