（本文編譯自Electronic Design）

隨著電氣化浪潮重塑交通行業(yè)，更小體積、更高集成度、更高能效的電子電氣組件被廣泛應(yīng)用，這使得高功率工況下的散熱需求愈發(fā)迫切。推動(dòng)這一趨勢(shì)的關(guān)鍵因素，正是汽車(chē)供電系統(tǒng)從12伏向48伏的升級(jí)，而這一變革也正在改寫(xiě)混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)全品類(lèi)的熱管理策略。

不斷增長(zhǎng)的能耗需求，疊加減輕線束重量、提升車(chē)輛續(xù)航與運(yùn)行效率的行業(yè)訴求與壓力，正加速高壓供電網(wǎng)絡(luò)的普及進(jìn)程。這其中就包括混動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，這類(lèi)車(chē)型正逐步采用48伏電氣系統(tǒng)，以支持主動(dòng)懸架、電動(dòng)渦輪增壓技術(shù)，以及日益豐富的電池、發(fā)動(dòng)機(jī)和座艙冷卻用泵體與風(fēng)機(jī)設(shè)備。

這些全新設(shè)計(jì)能夠應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)12伏系統(tǒng)難以承載的大負(fù)載，同時(shí)又規(guī)避了純電動(dòng)汽車(chē)主流高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（通常為400伏及以上）所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與安全防護(hù)措施。

為何48伏供電成為汽車(chē)領(lǐng)域的必要選擇

汽車(chē)轉(zhuǎn)向48伏直流供電系統(tǒng)的底層原理十分簡(jiǎn)單：功率（P）=電壓（V）×電流（I）。將電壓從12伏提升至原來(lái)的4倍，能夠以更低的電流實(shí)現(xiàn)同等功率傳輸。這一優(yōu)勢(shì)深受一級(jí)零部件供應(yīng)商工程師與汽車(chē)整車(chē)廠商的青睞（見(jiàn)圖1）。通過(guò)降低汽車(chē)高功率子系統(tǒng)線束的電流負(fù)載，48伏系統(tǒng)可采用更輕量化、更細(xì)規(guī)格的導(dǎo)線，不僅能減輕整車(chē)重量，還能顯著降低成本。

圖1：混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)的熱管理需為多個(gè)子系統(tǒng)維持最佳溫度，包括高壓電池、驅(qū)動(dòng)單元和乘員艙。

除實(shí)現(xiàn)減重與降本外，切換至48伏供電系統(tǒng)還可大幅降低電流流經(jīng)線束時(shí)產(chǎn)生的歐姆損耗（I2R損耗）。這意味著產(chǎn)熱可能減少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高效的熱管理。

雖然高于48伏的電壓能進(jìn)一步節(jié)省能耗，但也需付出相應(yīng)代價(jià)。直流電壓超過(guò)60伏時(shí)，美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）的相關(guān)規(guī)范，以及國(guó)際電工委員會(huì)60950標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織6469標(biāo)準(zhǔn)等行業(yè)準(zhǔn)則，均會(huì)提出防護(hù)要求，這會(huì)增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)與認(rèn)證的成本和復(fù)雜度。此外，電容器、MOSFET、連接器等高壓額定元器件，通常價(jià)格更高、采購(gòu)難度更大，且在空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景中集成難度也會(huì)提升。

在高電壓與高開(kāi)關(guān)頻率的工況下，工程師還需應(yīng)對(duì)更為顯著的電磁干擾（EMI）與可靠性問(wèn)題。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，48伏電壓恰好處于黃金區(qū)間：既足以實(shí)現(xiàn)可觀的效率提升，又能規(guī)避全高壓設(shè)計(jì)的復(fù)雜難題。

48伏系統(tǒng)或間接催生新的熱管理挑戰(zhàn)

盡管48伏系統(tǒng)具備效率優(yōu)勢(shì)，但也存在一系列獨(dú)特問(wèn)題，反而可能使混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)的熱管理設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。工程師通常會(huì)遇到的三大難題，分別是電壓瞬變應(yīng)對(duì)、尺寸限制與可靠性保障以及邊界工況適配。

耐受電壓瞬變

48伏供電總線雖標(biāo)稱電壓為48伏，但在實(shí)際工況下，受瞬變現(xiàn)象影響，必須能夠耐受遠(yuǎn)高于標(biāo)稱值的電壓。負(fù)載突卸、感性反沖及其他電力異常狀況，都可能導(dǎo)致電壓飆升至70伏以上。

國(guó)際汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)（如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織21780標(biāo)準(zhǔn)、歐洲低壓148標(biāo)準(zhǔn)）均明確要求設(shè)備具備可靠的瞬變應(yīng)對(duì)能力，以此認(rèn)可這一工況特性。例如，在設(shè)計(jì)電機(jī)控制集成電路時(shí)，建議汽車(chē)工程師選用額定電壓高達(dá)90伏的高壓MOSFET驅(qū)動(dòng)器，確保留有充足的電壓余量，從而在安全吸收瞬變電壓的同時(shí)避免系統(tǒng)損壞。這類(lèi)集成電路還需能夠承受驅(qū)動(dòng)電機(jī)等感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的反向瞬變電壓。

小型化需求

冷卻風(fēng)扇與冷卻泵所用的電子控制單元（ECU），需滿足小型化要求，且能適配不同車(chē)型。不同車(chē)型的ECU外形尺寸與安裝空間要求各異，因此需要具備靈活的軟硬件解決方案。

此外，ECU需兼具熱管理控制、遠(yuǎn)程在線升級(jí)功能，并擁有充足的存儲(chǔ)空間用于故障診斷與數(shù)據(jù)記錄，這就要求其采用集成度高、可編程的解決方案，并配備大容量片上閃存。

惡劣工況下的可靠性

電池冷卻系統(tǒng)必須能在嚴(yán)苛環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，需耐受劇烈的溫度波動(dòng)、粉塵侵蝕和振動(dòng)干擾。系統(tǒng)除配備熱關(guān)斷功能外，還需搭載完備的診斷與保護(hù)模塊，用于監(jiān)測(cè)關(guān)鍵電壓值與過(guò)流狀況。以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇為例，即便遭遇氣流堵塞或其他邊界工況，ECU也必須實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)，并維持風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

這就需要借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器，精準(zhǔn)檢測(cè)負(fù)載變化與系統(tǒng)參數(shù)，使ECU能夠及時(shí)識(shí)別氣流堵塞等異常情況，并據(jù)此調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

制定熱管理解決方案

一套成功的熱管理解決方案需從兩個(gè)維度入手解決問(wèn)題：主動(dòng)散熱與被動(dòng)降低熱負(fù)荷。具體可通過(guò)智能風(fēng)扇和泵體實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻，同時(shí)通過(guò)最大化系統(tǒng)效率，從源頭上減少需要管控的熱量。

在混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)中，該策略用于維持高壓電池、驅(qū)動(dòng)單元和乘員艙的最佳溫度，這一舉措直接影響車(chē)輛的續(xù)航里程、電池壽命及駕乘舒適性。這些子系統(tǒng)依靠各類(lèi)電力電子模塊，對(duì)不同流體進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

泵體負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)水、油等液體冷卻劑在電池和驅(qū)動(dòng)單元中循環(huán)，壓縮機(jī)則調(diào)控制冷劑，為座艙熱泵系統(tǒng)提供支持。智能閥門(mén)通常結(jié)合高分辨率磁位置傳感器的反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體在系統(tǒng)內(nèi)流轉(zhuǎn)過(guò)程的精準(zhǔn)位置控制。

高壓電池必須在狹窄的溫度區(qū)間內(nèi)工作（通常為20至40攝氏度），以此防止可能引發(fā)電池起火或爆炸的熱失控現(xiàn)象（見(jiàn)圖2）。這一溫度控制措施，同時(shí)也有助于緩解電池性能衰減、延長(zhǎng)電池使用壽命，并提升依賴泵體和風(fēng)扇運(yùn)行的冷卻系統(tǒng)的充電效率。

圖2：混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)的電池必須在20至40攝氏度的窄溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。

驅(qū)動(dòng)單元包含電力電子器件與電動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖3）。電力電子器件正越來(lái)越多地采用氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，憑借其更高的運(yùn)行效率提升性能，但這類(lèi)器件仍需完備的熱管理方案，以確保工作在最佳溫度區(qū)間。

圖3：回收電子器件與電機(jī)產(chǎn)生的廢熱可延長(zhǎng)車(chē)輛續(xù)航里程。

就電動(dòng)機(jī)而言，其需配備液體（通常為機(jī)油）冷卻系統(tǒng)，而回收電子器件與電機(jī)產(chǎn)生的廢熱，為座艙及電池供熱，對(duì)延長(zhǎng)車(chē)輛續(xù)航里程至關(guān)重要。

混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)座艙的熱管理直接影響車(chē)輛續(xù)航（見(jiàn)圖4）。熱泵系統(tǒng)不直接產(chǎn)生熱量，而是通過(guò)轉(zhuǎn)移熱量實(shí)現(xiàn)制冷或制熱，以此提升能效，為座艙或電池調(diào)節(jié)溫度。這類(lèi)雙模系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)獨(dú)立的加熱器與空調(diào)裝置，降低了能耗、整車(chē)重量與成本。在這類(lèi)系統(tǒng)中，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的控制是電機(jī)控制領(lǐng)域的一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

圖4：座艙冷卻系統(tǒng)必須適應(yīng)多變的負(fù)載工況。

如何為48伏熱管理系統(tǒng)選擇最優(yōu)元器件

為確保48伏系統(tǒng)熱管理的穩(wěn)定性，工程師應(yīng)選用兼具電氣耐受性、傳感精準(zhǔn)度與高集成度的電子電氣解決方案。需重點(diǎn)關(guān)注的核心特性包括：

• 寬工作電壓范圍（5.5–90伏），確保耐受電壓瞬變，同時(shí)兼容12伏與48伏兩種架構(gòu)。

• 集成式保護(hù)與診斷功能覆蓋過(guò)壓/欠壓、過(guò)溫、橋路故障等關(guān)鍵參數(shù)，提升系統(tǒng)可靠性。

• 先進(jìn)的無(wú)傳感器電機(jī)控制算法，如高頻注入法（HFI），可省去外置位置傳感器，降低物料清單（BOM）成本并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

• 完整的信號(hào)鏈方案：搭載集成柵極驅(qū)動(dòng)器的智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這類(lèi)器件是將控制器指令轉(zhuǎn)化為高功率輸出的關(guān)鍵紐帶；其可編程轉(zhuǎn)換速率等特性，可幫助工程師精準(zhǔn)平衡系統(tǒng)效率與電磁干擾（EMI）性能。

• 集成式磁電流傳感器：采用電氣隔離方式實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量，且插入損耗極低。與傳統(tǒng)分流電阻不同，這類(lèi)器件不會(huì)產(chǎn)生顯著的歐姆損耗和熱管理難題，憑借緊湊的設(shè)計(jì)即可為先進(jìn)電機(jī)控制提供精準(zhǔn)反饋，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與封裝流程。

上述特性能夠幫助工程師打造出結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、軟件可定義的熱管理模塊，滿足下一代混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)響應(yīng)速度與運(yùn)行效率的嚴(yán)苛要求。

制定熱管理策略，優(yōu)化48伏系統(tǒng)性能

隨著功率需求持續(xù)增長(zhǎng)，且系統(tǒng)架構(gòu)愈發(fā)緊湊、電氣化程度不斷提升，48伏供電架構(gòu)在效率提升、線束簡(jiǎn)化與熱控制方面的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)凸顯。但這些優(yōu)勢(shì)也伴隨著新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其是在熱管理領(lǐng)域，即便是細(xì)微的設(shè)計(jì)疏漏，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至引發(fā)嚴(yán)重故障。

無(wú)論是控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇，還是管理混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)電池主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，48伏系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)都高度相似：瞬態(tài)保護(hù)、功率密度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及負(fù)載工況下的可靠性。

應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)需要采取系統(tǒng)級(jí)方案，選用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)、可協(xié)同工作的器件。工程師通過(guò)整合一套完備的器件組合，從高壓柵極驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)控制集成電路，到為其提供數(shù)據(jù)支撐的電流與位置傳感器，即可構(gòu)建出高性能、高可靠性的熱管理系統(tǒng)。

這種依托可擴(kuò)展平臺(tái)的技術(shù)策略，不僅能簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程、促進(jìn)軟件復(fù)用，更能充分釋放48伏供電系統(tǒng)的潛力，從而縮短下一代混動(dòng)及純電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間，延長(zhǎng)續(xù)航里程。