48伏電動汽車熱管理系統中的電機控制

（本文編譯自Electronic Design）

隨著電氣化浪潮重塑交通行業，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迫切。推動這一趨勢的關鍵因素，正是汽車供電系統從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、提升車輛續航與運行效率的行業訴求與壓力，正加速高壓供電網絡的普及進程。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，以支持主動懸架、電動渦輪增壓技術，以及日益豐富的電池、發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12伏系統難以承載的大負載，同時又規避了純電動汽車主流高壓驅動系統（通常為400伏及以上）所需的復雜結構與安全防護措施。

為何48伏供電成為汽車領域的必要選擇

汽車轉向48伏直流供電系統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同等功率傳輸。這一優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線束的電流負載，48伏系統可采用更輕量化、更細規格的導線，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維持最佳溫度，包括高壓電池、驅動單元和乘員艙。

除實現減重與降本外，切換至48伏供電系統還可大幅降低電流流經線束時產生的歐姆損耗（I2R損耗）。這意味著產熱可能減少，進而實現更高效的熱管理。

雖然高于48伏的電壓能進一步節省能耗，但也需付出相應代價。直流電壓超過60伏時，美國職業安全與健康管理局（OSHA）的相關規范，以及國際電工委員會60950標準、國際標準化組織6469標準等行業準則，均會提出防護要求，這會增加產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間：既足以實現可觀的效率提升，又能規避全高壓設計的復雜難題。

48伏系統或間接催生新的熱管理挑戰

盡管48伏系統具備效率優勢，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損壞。這類集成電路還需能夠承受驅動電機等感性負載時產生的反向瞬變電壓。

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據記錄，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

電池冷卻系統必須能在嚴苛環境中穩定運行，需耐受劇烈的溫度波動、粉塵侵蝕和振動干擾。系統除配備熱關斷功能外，還需搭載完備的診斷與保護模塊，用于監測關鍵電壓值與過流狀況。以發動機冷卻風扇為例，即便遭遇氣流堵塞或其他邊界工況，ECU也必須實現平穩啟動，并維持風機正常運轉。

這就需要借助模數轉換器，精準檢測負載變化與系統參數，使ECU能夠及時識別氣流堵塞等異常情況，并據此調整風機運行狀態。

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主動冷卻，同時通過最大化系統效率，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、驅動單元和乘員艙的最佳溫度，這一舉措直接影響車輛的續航里程、電池壽命及駕乘舒適性。這些子系統依靠各類電力電子模塊，對不同流體進行精準控制。

泵體負責驅動水、油等液體冷卻劑在電池和驅動單元中循環，壓縮機則調控制冷劑，為座艙熱泵系統提供支持。智能閥門通常結合高分辨率磁位置傳感器的反饋信息，實現對流體在系統內流轉過程的精準位置控制。

高壓電池必須在狹窄的溫度區間內工作（通常為20至40攝氏度），以此防止可能引發電池起火或爆炸的熱失控現象（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攝氏度的窄溫度區間內運行。

驅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間。

圖3：回收電子器件與電機產生的廢熱可延長車輛續航里程。

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

混動及純電動汽車座艙的熱管理直接影響車輛續航（見圖4）。熱泵系統不直接產生熱量，而是通過轉移熱量實現制冷或制熱，以此提升能效，為座艙或電池調節溫度。這類雙模系統取代了傳統獨立的加熱器與空調裝置，降低了能耗、整車重量與成本。在這類系統中，電動空調壓縮機的控制是電機控制領域的一大關鍵挑戰。

圖4：座艙冷卻系統必須適應多變的負載工況。

如何為48伏熱管理系統選擇最優元器件

為確保48伏系統熱管理的穩定性，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。

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

• 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）成本并提高系統穩定性。

• 完整的信號鏈方案：搭載集成柵極驅動器的智能電機驅動器，這類器件是將控制器指令轉化為高功率輸出的關鍵紐帶；其可編程轉換速率等特性，可幫助工程師精準平衡系統效率與電磁干擾（EMI）性能。

• 集成式磁電流傳感器：采用電氣隔離方式實現電流測量，且插入損耗極低。與傳統分流電阻不同，這類器件不會產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，同時簡化系統設計與封裝流程。

上述特性能夠幫助工程師打造出結構緊湊、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，優化48伏系統性能

隨著功率需求持續增長，且系統架構愈發緊湊、電氣化程度不斷提升，48伏供電架構在效率提升、線束簡化與熱控制方面的優勢愈發凸顯。但這些優勢也伴隨著新的設計挑戰，尤其是在熱管理領域，即便是細微的設計疏漏，都可能導致系統性能下降甚至引發嚴重故障。

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，48伏系統面臨的挑戰都高度相似：瞬態保護、功率密度、實時監測以及負載工況下的可靠性。

應對這些挑戰需要采取系統級方案，選用專門設計、可協同工作的器件。工程師通過整合一套完備的器件組合，從高壓柵極驅動器、電機控制集成電路，到為其提供數據支撐的電流與位置傳感器，即可構建出高性能、高可靠性的熱管理系統。

這種依托可擴展平臺的技術策略，不僅能簡化開發流程、促進軟件復用，更能充分釋放48伏供電系統的潛力，從而縮短下一代混動及純電動汽車的充電時間，延長續航里程。