如何實(shí)現(xiàn)飛躍至48V電氣架構(gòu)

How to Make the Leap to  48V Electrical Architectures

 

即使不考慮從內(nèi)燃機(jī)向電池電動汽車（BEV）的過渡，當(dāng)今汽車的電力需求也變得令人生畏。車內(nèi)的每一個設(shè)備——從空調(diào)和座椅加熱器到照明和信息娛樂系統(tǒng)——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(shè)備及其相應(yīng)的導(dǎo)線在封裝和布線方面帶來了巨大的挑戰(zhàn)。隨著OEMs專注于提高燃油經(jīng)濟(jì)性和電動汽車?yán)m(xù)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(guī)并降低重量和成本的一種方法是從12V的電氣架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛?8V的架構(gòu)。但轉(zhuǎn)向48V的OEMs必須特別注意幾個關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。

 

 

12V的起源

 

這不是車輛電氣架構(gòu)中的第一個拐點(diǎn)。70年前，汽車行業(yè)也面臨著類似的挑戰(zhàn)，盡管規(guī)模較小。在20世紀(jì)50年代之前，大多數(shù)汽車都使用6伏電池和電氣系統(tǒng)。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?yàn)殡姽β视煞匠蘌=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(shè)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?yàn)檩^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(xì)的導(dǎo)線，因此減少電流可以使用較小的導(dǎo)線、端子和連接器，所有這些都可以減輕重量和材料成本。

 

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(jì)50年代以來，流經(jīng)12V系統(tǒng)的平均電流量增加了650%以上。顯然是時候進(jìn)行另一次架構(gòu)大修了。

 

為什么是48V？

 

現(xiàn)在12V已經(jīng)變得過于有限，許多汽車OEMs將48V作為最合乎邏輯的前進(jìn)方向，因?yàn)樗_(dá)到了最佳點(diǎn)：將電壓增加四倍可將電流減少四倍，同時保持遠(yuǎn)低于60V的極限，這是通常公認(rèn)的防止觸電危險(xiǎn)的保護(hù)措施。通過采用48V，在過電壓的情況下，設(shè)計(jì)可以得到高達(dá)60V的保護(hù)。

 

除了能夠?qū)崿F(xiàn)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(guī)定P=I2R（功率等于電流的平方乘以電阻），所以因?yàn)?8V中的電流體系結(jié)構(gòu)是12V體系結(jié)構(gòu)中電流的四分之一，理論上由于電力輸送系統(tǒng)中的電阻引起的任何電力損失減少了16倍。當(dāng)然，電阻會隨著導(dǎo)線尺寸的減小而增加，因此實(shí)際損耗將取決于系統(tǒng)優(yōu)化。盡管如此，隨著電流的減少，當(dāng)驅(qū)動負(fù)載時，導(dǎo)線上的電壓降也會更小。一些設(shè)備，如啟動電機(jī)，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(shè)計(jì)考慮

 

如果從12V到48V的過渡提供了所有這些優(yōu)勢，為什么汽車行業(yè)還沒有轉(zhuǎn)變？它在過去曾被考慮過，但12V背后的行業(yè)勢頭不容低估。該行業(yè)已經(jīng)使用12V系統(tǒng)70年了，切換到48V將需要新的設(shè)計(jì)和許多設(shè)備的重組。同樣值得注意的是，并非所有設(shè)備都會從12V切換到48V。一些較小的設(shè)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(shè)備將以電池組電壓運(yùn)行，通常為400V或800V。

 

在48V有意義的情況下，設(shè)計(jì)者必須采取幾個步驟來確保系統(tǒng)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(zhì)中，所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)會比12V時更強(qiáng)烈地侵蝕端子，因此設(shè)計(jì)者在決定是否必須密封連接器時應(yīng)牢記這一點(diǎn)。無論指示在何處進(jìn)行密封，一定要使用經(jīng)過驗(yàn)證的堅(jiān)固密封技術(shù)。

 

防電弧

 

電弧是一種與電壓水平和端子之間的間隔有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。電弧的溫度在2800°C到19000°C之間。當(dāng)12V電路斷開時，可能會出現(xiàn)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(xù)更長時間，并對端子和連接器造成災(zāi)難性損壞。為了防止這種情況發(fā)生，連接器中的端子應(yīng)適當(dāng)間隔，并應(yīng)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(wěn)定，微電弧會破壞鍍層或損害端子基底金屬，導(dǎo)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(dǎo)致緩慢或間歇性的電源斷開，從而導(dǎo)致破壞性電弧。

 

在維修48V接頭之前，應(yīng)斷開48V電源。緩慢斷開通電連接系統(tǒng)可能會導(dǎo)致電弧延長，并產(chǎn)生熱后果。

 

電壓分離

 

在混合電壓系統(tǒng)中必須采取特殊預(yù)防措施，以確保電流不能從48V設(shè)備流到12V設(shè)備。隔離在不同電壓下運(yùn)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(diǎn)，則應(yīng)對連接器進(jìn)行分區(qū)，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(qū)域布線48V引線，必要時使用覆蓋物。電線絕緣受損會導(dǎo)致車輛中的接地金屬產(chǎn)生電弧。此外，對于不同的電壓設(shè)備，應(yīng)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(shè)備流到12V設(shè)備。

 

爬電和間隙

 

即使48V被認(rèn)為是低電壓，電弧也會帶來風(fēng)險(xiǎn)。為減少風(fēng)險(xiǎn)，連接器的設(shè)計(jì)必須滿足爬電和間隙要求。

 

爬電：絕緣材料表面上兩個導(dǎo)電點(diǎn)之間的最短距離

 

間隙：導(dǎo)線之間通過空氣的"視線"距離

 

爬電距離和間隙注意事項(xiàng)

 

無論是鑒定現(xiàn)有連接器還是為48V系統(tǒng)設(shè)計(jì)新連接器，都應(yīng)使用IEC 60664-1 3.0版（2020-5）規(guī)范來確定適當(dāng)?shù)呐离姾烷g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(dǎo)電點(diǎn)之間的最短距離。間隙是指導(dǎo)體之間的“視線”或通過空氣的最短距離。在應(yīng)用規(guī)范時，重要的是要保護(hù)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(dāng)?shù)奈廴境潭龋⒏鶕?jù)IEC 60112/UL 1950中定義的比較跟蹤指數(shù)（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(yīng)力而形成導(dǎo)電路徑的最大電壓，濕度和污染。大多數(shù)具有傳統(tǒng)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(xì)微的設(shè)計(jì)更改才能滿足爬電要求。

 

48V的興起

 

基于48V的電氣架構(gòu)提供了許多好處，但必須仔細(xì)遵循設(shè)計(jì)指南，以減輕與更高電壓相關(guān)的任何風(fēng)險(xiǎn)。

 

隨著48V設(shè)備在現(xiàn)代混合電壓車輛架構(gòu)中變得越來越普遍，先進(jìn)的技術(shù)可以幫助確保架構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)。48V固態(tài)電氣中心的先進(jìn)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(wǎng)架構(gòu)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(shè)計(jì)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(yè)，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(tǒng)清楚地識別了在沒有適當(dāng)?shù)陌踩嘤?xùn)和個人防護(hù)設(shè)備的情況下不應(yīng)觸摸哪些部件。

 

盡管48V不被視為高電壓，但電弧等現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)增加導(dǎo)致48V連接器需要進(jìn)行顏色編碼，淺藍(lán)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(lán)色連接器標(biāo)準(zhǔn)已被許多行業(yè)采用，并且很可能用于48V汽車連接器和電線。

 

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