如何實現飛躍至48V電氣架構

How to Make the Leap to ?48V Electrical Architectures

即使不考慮從內燃機向電池電動汽車（BEV）的過渡，當今汽車的電力需求也變得令人生畏。車內的每一個設備——從空調和座椅加熱器到照明和信息娛樂系統——都需要電力，而提供電力的電線必須有足夠大的直徑來支持電流。

大量的設備及其相應的導線在封裝和布線方面帶來了巨大的挑戰。隨著OEMs專注于提高燃油經濟性和電動汽車續航里程，所有這些電線的重量和成本都受到了越來越多的審查。

縮小線規并降低重量和成本的一種方法是從12V的電氣架構轉變為基于48V的架構。但轉向48V的OEMs必須特別注意幾個關鍵的設計考慮因素，以確保系統的安全性和可靠性。

12V的起源

這不是車輛電氣架構中的第一個拐點。70年前，汽車行業也面臨著類似的挑戰，盡管規模較小。在20世紀50年代之前，大多數汽車都使用6伏電池和電氣系統。含量和銅價的上漲推動了一場革命，在十年的時間里，全世界的汽車都變成了12V。

因為電功率由方程P=V×I（功率等于電壓乘以電流）決定，所以將電壓加倍意味著設備可以用一半的電流接收相同的功率。電流決定了電線的直徑，因為較厚的電線電阻較小，因此需要安全地承載更高的電流。反之亦然：較低的電流可以安全地流過較細的導線，因此減少電流可以使用較小的導線、端子和連接器，所有這些都可以減輕重量和材料成本。

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因此，增加電壓是解決增加功能、包裝、重量和成本增加問題的重要工具。自20世紀50年代以來，流經12V系統的平均電流量增加了650%以上。顯然是時候進行另一次架構大修了。

為什么是48V？

現在12V已經變得過于有限，許多汽車OEMs將48V作為最合乎邏輯的前進方向，因為它達到了最佳點：將電壓增加四倍可將電流減少四倍，同時保持遠低于60V的極限，這是通常公認的防止觸電危險的保護措施。通過采用48V，在過電壓的情況下，設計可以得到高達60V的保護。

除了能夠實現明顯更小的端子和布線之外，更高的電壓更省電。歐姆定律規定P=I2R（功率等于電流的平方乘以電阻），所以因為48V中的電流體系結構是12V體系結構中電流的四分之一，理論上由于電力輸送系統中的電阻引起的任何電力損失減少了16倍。當然，電阻會隨著導線尺寸的減小而增加，因此實際損耗將取決于系統優化。盡管如此，隨著電流的減少，當驅動負載時，導線上的電壓降也會更小。一些設備，如啟動電機，也將受益于更高的工作電壓。它們將需要更少的銅并提供更多的扭矩，同時可能具有更小的封裝尺寸。

設計考慮

如果從12V到48V的過渡提供了所有這些優勢，為什么汽車行業還沒有轉變？它在過去曾被考慮過，但12V背后的行業勢頭不容低估。該行業已經使用12V系統70年了，切換到48V將需要新的設計和許多設備的重組。同樣值得注意的是，并非所有設備都會從12V切換到48V。一些較小的設備消耗較少的功率將保持在12V。此外，隨著市場向純電動汽車過渡，一些設備將以電池組電壓運行，通常為400V或800V。

在48V有意義的情況下，設計者必須采取幾個步驟來確保系統的安全性和可靠性。

密封要求

如果48V連接器意外暴露在鹽水等電解質中，所產生的電化學腐蝕反應會比12V時更強烈地侵蝕端子，因此設計者在決定是否必須密封連接器時應牢記這一點。無論指示在何處進行密封，一定要使用經過驗證的堅固密封技術。

防電弧

電弧是一種與電壓水平和端子之間的間隔有關的風險。電弧的溫度在2800°C到19000°C之間。當12V電路斷開時，可能會出現小電弧，但通常會很快自行熄滅。在48V電壓下，電弧有可能持續更長時間，并對端子和連接器造成災難性損壞。為了防止這種情況發生，連接器中的端子應適當間隔，并應特別小心避免熱斷開。

避免有間歇性接觸、微動腐蝕或端子退出（TPO）。如果端子接觸不穩定，微電弧會破壞鍍層或損害端子基底金屬，導致高電阻或焊接連接。

利用有效的端子二次鎖定，確保端子完全鎖定在連接器中。TPO可能導致緩慢或間歇性的電源斷開，從而導致破壞性電弧。

在維修48V接頭之前，應斷開48V電源。緩慢斷開通電連接系統可能會導致電弧延長，并產生熱后果。

電壓分離

在混合電壓系統中必須采取特殊預防措施，以確保電流不能從48V設備流到12V設備。隔離在不同電壓下運行的電路是最好的解決方案。

保守的方法是避免連接器同時具有48V和12V電路。如果無法做到這一點，則應對連接器進行分區，以在物理上分離電壓。布線線束時，最好將48V和12V電路分開，但并非總是可能的。

避免在電線絕緣層可能損壞的區域布線48V引線，必要時使用覆蓋物。電線絕緣受損會導致車輛中的接地金屬產生電弧。此外，對于不同的電壓設備，應避免使用相同的接地螺柱。如果接地螺柱松動或分離，電流可能通過共享連接從48V設備流到12V設備。

爬電和間隙

即使48V被認為是低電壓，電弧也會帶來風險。為減少風險，連接器的設計必須滿足爬電和間隙要求。

爬電：絕緣材料表面上兩個導電點之間的最短距離

間隙：導線之間通過空氣的"視線"距離

爬電距離和間隙注意事項

無論是鑒定現有連接器還是為48V系統設計新連接器，都應使用IEC 60664-1 3.0版（2020-5）規范來確定適當的爬電和間隙，以滿足連接器中端子位置的要求。爬電是絕緣材料表面上兩個導電點之間的最短距離。間隙是指導體之間的“視線”或通過空氣的最短距離。在應用規范時，重要的是要保護60V，即過電壓范圍的上限。

對密封和未密封的連接器（通常為2級或3級）使用適當的污染程度，并根據IEC 60112/UL 1950中定義的比較跟蹤指數（CTI）選擇正確的材料組。CTI是材料能夠承受50滴污染水而不會由于電應力而形成導電路徑的最大電壓，濕度和污染。大多數具有傳統端子間距的汽車連接器和接頭將滿足間隙要求，但有些連接器和接頭需要細微的設計更改才能滿足爬電要求。

48V的興起

基于48V的電氣架構提供了許多好處，但必須仔細遵循設計指南，以減輕與更高電壓相關的任何風險。

隨著48V設備在現代混合電壓車輛架構中變得越來越普遍，先進的技術可以幫助確保架構能夠支持它們。例如，線束自動化可以顯著提高，降低端子退出的風險。48V固態電氣中心的先進軟件算法可能能夠檢測和減輕電弧。定義各種車輛類型的電網架構將有助于建立滿足所有功能安全要求的48V電源和備份。印刷電路板和其他元件的設計可以使配電模塊在48V電壓下更小、更涼爽、更便宜。

48V的顏色編碼

在汽車行業，橙色連接器和電線與高壓是同義詞，包括60V以上的任何電壓。這種顏色編碼系統清楚地識別了在沒有適當的安全培訓和個人防護設備的情況下不應觸摸哪些部件。

盡管48V不被視為高電壓，但電弧等現象的風險增加導致48V連接器需要進行顏色編碼，淺藍色是首選。

這一建議的根源可以追溯到叉車。多年來，電動叉車一直依賴不同電壓的電池，因此制定了電池連接器的顏色指南，以避免使用錯誤的電池。如今，用于48V連接的藍色連接器標準已被許多行業采用，并且很可能用于48V汽車連接器和電線。

審核編輯：黃飛

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