总成架构的演变——失败的42V电池总成与成功的48V电源总线

　　搞要：本文回顾并讨论10年前42V汽车电源总成系统失败方案。如今，一种48V电源总线正在应用于现代汽车之中，促使汽车电子在半导体和系统总成等方面升级。过去10年都有什么样的变化呢?为什么48V是迈向高燃油效率、低辐射汽车的重要步骤?本文将深入透析这一汽车行业标志性变更的推动力，并且对于即将推出的产品和系统解决方案提出一些见解，以支持更高电压的电源总线。

　　需要42V的原因

　　10年前，曾传出一个让人震撼的消息：将推出适于载客汽车的新型电源总线架构。它建议通过三组12V电池组串联得到36V，取代现有的12V电池，使14V电源总线电压提高到42V。这意味着重新建立42V电源及电子总成架构。二十世纪九十年代末，发展42V架构的源动力在于现代汽车界于未来的需要的预测，以及对于更大电力驱动的要求。两个关键因素被认为推动了这种功率增长需要。

　　第一个原因就是车辆内可用的奢侈和舒适系统需求的增长。我们不仅要提高强大的娱乐和信息系统，还有那些需采用更大功率的舒适功能，如电子助力转向系统、主动式悬挂转向系统、强大的取暖元件，包括适用于寒冬的前窗除霜系统，或者适用于温度不断提高的夏季的强大空调系统。而且，我们还不能忽略大型的多种类驾驶辅助系统，长距或短距雷达;超声感应或相机系统，这些都计划用于提高汽车的主动及被动的安全性。

　　第二个重要的提高功率原因，来自于皮带传动系统和电机系统被DC-AC电驱系统取代，如泵、风扇、空调压缩机、液压及助力转向，实现独立于内燃引擎的电机驱动系统。“逆变器”及外围控制系统的明显优势在于转速可控。独立于内燃机的速度，它可最优化驱动，甚至可以根据需要进行开关。一个很好、很明显的示例便是汽车中众所周知的制冷水泵。当汽车高速运行时，水泵提供了极高的制冷功率，此时，高速的水流降低引擎温度。但实际上，在许多情况下，甚至可能不会用到水泵。另一方面，塞车时，当汽车处于静止状态，引擎在热天中空转时，水泵的运行非常慢，很难在没有空调气流的状态下提供足够的制冷。此时正是你希望提高水泵的制冷功率的时候，内燃机中搭载的逆变驱动制冷系统将会通过控制水泵的转速得到所需的制冷量，很容易的解决这一问题。

　　类似皮带水泵驱动系统，还有大量其它机械驱动泵、风扇和压缩机等应用，能通过采用电驱变速电机取得更高效智能的驱动。相应的，汽车的油耗就可降低而提高排放标准。但遗憾的时，用电机驱动取代多个机械驱动系统也会极大的提高交流电机所需要提供的电能功率。

　　综上所述，上面所述提升计划表示出一辆汽车的平均功耗将很快上升且超过传统交流发电机3kW限制限度。看来，考虑到所有这些功耗，最先进的交流发电机都会非常接近其极限值，特别是在恶劣的条件下，在考虑到所有的系统都同时消耗能量时更是如此。最终OEM和Tier1系统供应商开始期望汽车可以供应更高的电能功率。更高功率也就意味着需要更高的电流和电压。正如从简单的欧姆定律中可以获知的，如果我们把电压保持在14V而仅提高电流的话，线缆和开关中的功耗随残余电阻Rcable，switch与电流I2成比例增长：

　　P_loss=I²● R_{cable, switch,…}

　　所以为了使汽车的效率更高，同时增加娱乐性、安全性和舒适功能并实现更高调速，与提高电流等级相比，提高变速电机电压则是实现增长的更好办法。实际上，通过降低更高电压下的电流要求，甚至还可以降低导通和开关损耗，采用更少的厚铜线缆还意味着汽车的重量更小，所以，总体而言达到了技术上的双赢效果。因此，那时所提倡的逻辑概念是将板网电压从14V提升至42V，而不是在12V的电源总线上运行2-3倍高的电流。

　　商业上的挑战

　　可是，单纯从技术工程的角度讲，这绝对是非常完美的，但却遇到了商业问题。用42V的架构取代14V架构就表示汽车中几乎所有电子元件和系统都要革命性地改变到目前的标准。从功率半导体和开关到IC，从有源元件到传感器，甚至灯泡都需要重新设计并调节到更高的电压水平。那时的汽车还100%的依赖12V/14V元件，而且EMI、噪声等级、过压条件和通过隔离进行的用户保护等都依赖于安全且调制良好的14V架构，电压峰值都控制在40V最大值以下。

　　然而，OEM和汽车供应商进行了前所未有的协作努力，新型42V元件、系统和架构解决方案的开发得到启动并且有了长足发展，但大家很快就会发现42V的取代不可能是无成本的。实际上，可以看到其价格非常昂贵、耗时并且需要更多的资源，才以构建和重新认证42V汽车的架构。终端用户会愿意支付这样的价格吗?

　　很显然市场和终端客户承受42V汽车上的加价是很有限的。用42V电压取代14V电压，没有太多明显的用户价值。所有的舒适功能都必须以任何一种“附加”或“选项”的形式进行支付。但是，最为增加成本的42V系统。无论是14V还是42V的电子系统，对汽车用户而言看不到任何区别。较大马力的发动机或更高的动力系转矩都可能会带来驾驶体验的显著提升，与之不同，整体而言，提升的总成电压并不能提供任何显著、直接、“能感觉到”的超级驾驶感受。因此，42V产品没有显而易见的终端用户值，可以作为营销点或用作良好的附加值卖点。这个问题的根本仍然是最初的预期节能的正向“业务案例”和42V总成提升效率不能为终端客户提高具体投资回报。遗憾的是，42V的概念未能提供一个极具竞争力的价值。而现在的混合动力解决方案不同，通过对交流电机再生的总成能量被良好利用，42V油耗仅实现了很少的、个位数的提升，因此，仅轻微降低了内燃机的能耗。然而，通过采用变速电机，有时单独的系统看起来效率更高，现实应用情况下和实际驾驶条件下，总的整体的提升比理论上所期望的降低很多。由14V至42V总线架构变更所带来的提升未能引发“大的革命性进步。”

　　因此，最终OEM又开始放弃42V的理念。看来，想要重新认证并将42V汽车引入市场将非常困难并且价格高昂，因为市场并不愿意为这些提升的成本买单。当工程师们绞尽脑汁，在实际上提升交换电机的效率和输出功率方面再一次超出所设立的限度时，42V概念最终宣布终结。同时，像MOSFET这样的电源管理器件在性能方面也取得了相当大的提升。半导体开关变得更加高效(见图1和图2)，特别是随着首款Trench MOSFET的推出，它可以实现更高的电流应用，可以在可接受的功耗水平、甚至在14V总成下良好运行。