电子产品世界

随着电气化重塑交通行业，使用更小、更密集且更高效的电子和电气（E/E）组件，加剧了管理高功率热量的需求。这一趋势的一个关键原因是从12伏供电轨道向48伏系统的转变。但这一变化也正在改变电动和混合动力汽车（xEV）领域的热能策略。

日益增长的能源需求，加上减少布线重量、提升车辆续航里程和运行效率的机会和行业压力，加速了高压电力网络的使用。这包括采用48伏电气系统以支持主动悬挂、电动涡轮增压，以及不断扩展的泵和鼓风机，用于电池、发动机和车内冷却的混合动力电动车。

这些新设计能够承受传统12伏系统无法承受的巨大负载。而且它们没有高压主牵引系统所需的复杂性和安全措施——在很多情况下，电压为400伏或以上——这在全电动车中非常普遍。

为什么48伏电源能达到汽车的黄金点

向48伏直流母线切换的基本原理很简单：功率（P）= 电压（V）×电流（I）。将电压从12伏提升四倍，使得以显著减少电流提供相同功率水平——这一选项受到一级工程师和汽车原厂的欢迎（见图1）。通过减少为汽车高功率子系统供电所需的电流，48伏使得使用更轻、更细、重量更轻的电线，成本也显著降低。

1. xEV的热管理涉及为多个子系统保持最佳温度，包括高压电池、驱动单元和乘客舱。

除了减轻重量和成本外，切换到48伏电源系统还能显著减少电力通过布线时产生的I²R损耗。这可能意味着热量更少，从而实现更高效的热管理。

虽然48伏以上的电压可以带来额外的节能效果，但也存在权衡。除了60伏直流电外，OSHA指南和行业标准如IEC 60950和ISO 6469施加了保护性要求，增加了产品设计和认证的成本和复杂性。此外，额定高电压的元件，如电容、MOSFET和连接器，通常成本更高、采购更困难，且在空间受限环境中集成更具挑战性。

在高电压和开关频率下，工程师还面临更明显的电磁干扰（EMI）和可靠性问题。在可预见的未来，这能让48伏处于最佳平衡点：既足够高，便能带来显著的效率提升，又足够低以避免高压设计的复杂性。

48伏可能间接带来新的热管理挑战

尽管48伏系统效率优越，但它们存在一系列独特的问题，实际上会使xEV的热设计更加复杂。工程师通常面临的前三项是电压瞬变管理、尺寸约束与鲁棒性，以及边界条件。

1. 存活电压瞬变

尽管标称电压为48伏，但在实际条件下运行的48伏总线必须承受因瞬变引起的更高电压。负载倾斜、感性回跳及其他功率异常可能使电压水平超过70伏。

国际汽车标准如ISO 21780和欧洲LV 148法规也通过要求强健的瞬态控来承认这一点。例如，在设计电机控制集成电路时，建议汽车工程师采购额定最高90 V的高压MOSFET驱动器，以确保其有足够的余量，安全吸收瞬态且不损害系统。这些集成电路还需要承受驱动感性负载（如电动机）时产生的负瞬态。

2. 紧致性的需求

用于冷却风扇和泵的电子控制单元（ECU）需要紧凑且适合不同车辆。每种设备可能有不同的形态和空间需求，因此需要灵活的硬件和软件解决方案。

此外，管理热控、进行空中（OTA）更新以及提供充足的诊断和数据记录存储能力，需要高度集成且可编程的解决方案，配备大量车载闪存。

3. 恶劣条件下的可靠性

电池冷却系统必须在极端温度波动、灰尘和振动等恶劣条件下可靠运行。除了热关机功能外，还需要一套全面的诊断和保护功能，用于监测关键电压水平和过电流。以发动机冷却风扇为例，ECU必须平稳启动并保持鼓风机工作，即使面对气流受阻或其他边界条件。

这需要模拟转数字转换器（ADC），能够精确感知负载变化和系统参数，使ECU能够检测气流阻塞或其他异常，并据此调整鼓风机运行。

制定热管理计划

成功的热管理方案从两方面解决问题，积极移除热量并被动降低热负荷。这通过使用智能风扇和泵进行主动冷却实现，同时最大化系统效率减少了最初需要管理的热量。

在xEV车型中，这一策略用于维持高压电池、驱动单元和乘客舱的最佳温度，这直接影响了xEV的续航、电池健康和乘客舒适度。这些子系统依赖多种电力电子模块来精确控制不同的流体。

泵为电池和驱动单元循环水和油等液体冷却剂，而压缩机则管理车厢热泵的制冷剂。智能阀门通常由高分辨率磁性位置传感器提供位置控制，能够准确追踪这些流体在系统中的流动。

高压电池必须在狭窄的温度范围内工作（通常在20至40°C之间），以防止热失控，后者可能导致电池火灾或爆炸（见图2）。这也有助于减轻性能下降，延长电池寿命，并最大化需要泵和风扇系统的充电效率。

2. xEV电池必须在20至40°C的狭窄温度范围内工作。

驱动单元包括电力电子设备和电动机（见图3）。电力电子领域正日益采用氮化镓（GaN）或碳化硅（SiC）功率场效应晶体管（FET），以获得更高的工作效率，但仍需全面的热管理以确保最佳温度范围。

3. 回收电子设备和电动机产生的废热，延长车辆航程。

电动机需要液体（通常是油）冷却系统，而回收来自驾驶舱和电池的电子设备和电机产生的废热对于延长车辆续航至关重要。

xEV客舱的热管理直接影响续航里程（见图4）。热泵通过移动热量而非产生热量来提高效率——加热或冷却驾驶舱或电池。这些双模系统取代了独立的加热器和空调单元，降低了能源消耗、重量和成本。控制电动空调压缩机是这些系统电机控制的一个关键挑战。

4. 客舱冷却系统必须适应可变的负载条件，如外部温度、阳光暴露和乘客数量。

如何选择最适合48伏热管理的元件

为了确保48伏电压下的可靠热管理，工程师应寻找结合电气韧性、感测精度和高度集成度的电/电解决方案。需要关注的关键特征包括：

● 宽阔的工作电压范围（5.5–90 V），以确保对瞬态的容忍度以及在12伏和48伏架构上的兼容性。

● 集成保护和诊断，涵盖过压/欠压、过热和桥接故障等关键参数，以提升系统稳健性。

● 先进的无传感器电机控制算法，如高频注入（HFI），以消除外部位置传感器，降低物料清单成本并提高系统可靠性。

● 这是一种完整的信号链方式，采用智能电机驱动单元和集成的闸极驱动器。这些功能是将控制器指令转化为高功率现实的关键环节，具备可编程的轮滑率功能，使工程师能够精确平衡效率与电磁干扰性能。

● 集成磁电流传感器，提供极低插入损耗的电气隔离测量电流的方法。与传统并联电阻会带来显著的欧姆损耗和热管理难题不同，这些紧凑型解决方案提供了先进电机控制所需的准确反馈，同时简化了系统设计和封装。

这些功能帮助工程师构建紧凑、坚固、软件定义的热管理模块，具备下一代xEV所需的响应性和效率。

制定热管理策略以优化48伏性能

随着电力需求增加，系统变得更加紧凑和电气化，48伏架构在效率、布线简化和热控方面带来了明显优势。然而，这些优势也带来了新的设计挑战，尤其是在热管理方面，即使是小小的失误也可能导致性能下降或系统灾难性故障。

无论是控制鼓风机风扇还是管理xEV电池主动冷却系统，48伏的挑战都非常相似：瞬态保护、功率密度、实时监控以及负载下的可靠性。

应对这些挑战需要系统层面的方法，配备专门设计的协同解决方案。通过从高压栅极驱动器、电机控制集成电路到提供信息的电流和位置传感器中选择统一的组件组合，工程师能够构建坚固高效的热系统。

利用可扩展平台的策略简化了开发并促进软件的重复使用。同时确保48伏电力的全部实现，加快充电时间，延长下一代xEV的续航里程。

(本文登于《EEPW》202601)

关键词： 电源 电动汽车 热管理 202601