（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用，這使得高功率工況下的散熱需求愈發(fā)迫切。推動這一趨勢的關(guān)鍵因素，正是汽車供電系統(tǒng)從12伏向48伏的升級，而這一變革也正在改寫混動及純電動汽車全品類的熱管理策略。

不斷增長的能耗需求，疊加減輕線束重量、提升車輛續(xù)航與運行效率的行業(yè)訴求與壓力，正加速高壓供電網(wǎng)絡的普及進程。這其中就包括混動電動汽車，這類車型正逐步采用48伏電氣系統(tǒng)，以支持主動懸架、電動渦輪增壓技術(shù)，以及日益豐富的電池、發(fā)動機和座艙冷卻用泵體與風機設備。

這些全新設計能夠應對傳統(tǒng)12伏系統(tǒng)難以承載的大負載，同時又規(guī)避了純電動汽車主流高壓驅(qū)動系統(tǒng)（通常為400伏及以上）所需的復雜結(jié)構(gòu)與安全防護措施。

為何48伏供電成為汽車領(lǐng)域的必要選擇

汽車轉(zhuǎn)向48伏直流供電系統(tǒng)的底層原理十分簡單：功率（P）=電壓（V）×電流（I）。將電壓從12伏提升至原來的4倍，能夠以更低的電流實現(xiàn)同等功率傳輸。這一優(yōu)勢深受一級零部件供應商工程師與汽車整車廠商的青睞（見圖1）。通過降低汽車高功率子系統(tǒng)線束的電流負載，48伏系統(tǒng)可采用更輕量化、更細規(guī)格的導線，不僅能減輕整車重量，還能顯著降低成本。

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

除實現(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)線束時產(chǎn)生的歐姆損耗（I2R損耗）。這意味著產(chǎn)熱可能減少，進而實現(xiàn)更高效的熱管理。

雖然高于48伏的電壓能進一步節(jié)省能耗，但也需付出相應代價。直流電壓超過60伏時，美國職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）的相關(guān)規(guī)范，以及國際電工委員會60950標準、國際標準化組織6469標準等行業(yè)準則，均會提出防護要求，這會增加產(chǎn)品設計與認證的成本和復雜度。此外，電容器、MOSFET、連接器等高壓額定元器件，通常價格更高、采購難度更大，且在空間受限的應用場景中集成難度也會提升。

在高電壓與高開關(guān)頻率的工況下，工程師還需應對更為顯著的電磁干擾（EMI）與可靠性問題。在可預見的未來，48伏電壓恰好處于黃金區(qū)間：既足以實現(xiàn)可觀的效率提升，又能規(guī)避全高壓設計的復雜難題。

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，但也存在一系列獨特問題，反而可能使混動及純電動汽車的熱管理設計變得更為復雜。工程師通常會遇到的三大難題，分別是電壓瞬變應對、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伏供電總線雖標稱電壓為48伏，但在實際工況下，受瞬變現(xiàn)象影響，必須能夠耐受遠高于標稱值的電壓。負載突卸、感性反沖及其他電力異常狀況，都可能導致電壓飆升至70伏以上。

國際汽車標準（如國際標準化組織21780標準、歐洲低壓148標準）均明確要求設備具備可靠的瞬變應對能力，以此認可這一工況特性。例如，在設計電機控制集成電路時，建議汽車工程師選用額定電壓高達90伏的高壓MOSFET驅(qū)動器，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避免系統(tǒng)損壞。這類集成電路還需能夠承受驅(qū)動電機等感性負載時產(chǎn)生的反向瞬變電壓。

小型化需求

冷卻風扇與冷卻泵所用的電子控制單元（ECU），需滿足小型化要求，且能適配不同車型。不同車型的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、遠程在線升級功能，并擁有充足的存儲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)必須能在嚴苛環(huán)境中穩(wěn)定運行，需耐受劇烈的溫度波動、粉塵侵蝕和振動干擾。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模塊，用于監(jiān)測關(guān)鍵電壓值與過流狀況。以發(fā)動機冷卻風扇為例，即便遭遇氣流堵塞或其他邊界工況，ECU也必須實現(xiàn)平穩(wěn)啟動，并維持風機正常運轉(zhuǎn)。

這就需要借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器，精準檢測負載變化與系統(tǒng)參數(shù)，使ECU能夠及時識別氣流堵塞等異常情況，并據(jù)此調(diào)整風機運行狀態(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維度入手解決問題：主動散熱與被動降低熱負荷。具體可通過智能風扇和泵體實現(xiàn)主動冷卻，同時通過最大化系統(tǒng)效率，從源頭上減少需要管控的熱量。

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

泵體負責驅(qū)動水、油等液體冷卻劑在電池和驅(qū)動單元中循環(huán)，壓縮機則調(diào)控制冷劑，為座艙熱泵系統(tǒng)提供支持。智能閥門通常結(jié)合高分辨率磁位置傳感器的反饋信息，實現(xiàn)對流體在系統(tǒng)內(nèi)流轉(zhuǎn)過程的精準位置控制。

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（見圖2）。這一溫度控制措施，同時也有助于緩解電池性能衰減、延長電池使用壽命，并提升依賴泵體和風扇運行的冷卻系統(tǒng)的充電效率。

圖2：混動及純電動汽車的電池必須在20至40攝氏度的窄溫度區(qū)間內(nèi)運行。

驅(qū)動單元包含電力電子器件與電動機（見圖3）。電力電子器件正越來越多地采用氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC）功率場效應晶體管，憑借其更高的運行效率提升性能，但這類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產(chǎn)生的廢熱可延長車輛續(xù)航里程。

就電動機而言，其需配備液體（通常為機油）冷卻系統(tǒng)，而回收電子器件與電機產(chǎn)生的廢熱，為座艙及電池供熱，對延長車輛續(xù)航里程至關(guān)重要。

混動及純電動汽車座艙的熱管理直接影響車輛續(xù)航（見圖4）。熱泵系統(tǒng)不直接產(chǎn)生熱量，而是通過轉(zhuǎn)移熱量實現(xiàn)制冷或制熱，以此提升能效，為座艙或電池調(diào)節(jié)溫度。這類雙模系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)獨立的加熱器與空調(diào)裝置，降低了能耗、整車重量與成本。在這類系統(tǒng)中，電動空調(diào)壓縮機的控制是電機控制領(lǐng)域的一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

圖4：座艙冷卻系統(tǒng)必須適應多變的負載工況。

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，工程師應選用兼具電氣耐受性、傳感精準度與高集成度的電子電氣解決方案。需重點關(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，同時兼容12伏與48伏兩種架構(gòu)。

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

• 先進的無傳感器電機控制算法，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。

• 完整的信號鏈方案：搭載集成柵極驅(qū)動器的智能電機驅(qū)動器，這類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現(xiàn)電流測量，且插入損耗極低。與傳統(tǒng)分流電阻不同，這類器件不會產(chǎn)生顯著的歐姆損耗和熱管理難題，憑借緊湊的設計即可為先進電機控制提供精準反饋，同時簡化系統(tǒng)設計與封裝流程。

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，滿足下一代混動及純電動汽車對響應速度與運行效率的嚴苛要求。

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，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、線束簡化與熱控制方面的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯。但這些優(yōu)勢也伴隨著新的設計挑戰(zhàn)，尤其是在熱管理領(lǐng)域，即便是細微的設計疏漏，都可能導致系統(tǒng)性能下降甚至引發(fā)嚴重故障。

無論是控制鼓風機風扇，還是管理混動及純電動汽車電池主動冷卻系統(tǒng)，48伏系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)都高度相似：瞬態(tài)保護、功率密度、實時監(jiān)測以及負載工況下的可靠性。

應對這些挑戰(zhàn)需要采取系統(tǒng)級方案，選用專門設計、可協(xié)同工作的器件。工程師通過整合一套完備的器件組合，從高壓柵極驅(qū)動器、電機控制集成電路，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)。

這種依托可擴展平臺的技術(shù)策略，不僅能簡化開發(fā)流程、促進軟件復用，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及純電動汽車的充電時間，延長續(xù)航里程。