48伏电动汽车热管理系统中的电机控制

（本文编译自Electronic Design）

随着电气化浪潮重塑交通行业，更小体积、更高集成度、更高能效的电子电气组件被广泛应用，这使得高功率工况下的散热需求愈发迫切。推动这一趋势的关键因素，正是汽车供电系统从12伏向48伏的升级，而这一变革也正在改写混动及纯电动汽车全品类的热管理策略。

不断增长的能耗需求，叠加减轻线束重量、提升车辆续航与运行效率的行业诉求与压力，正加速高压供电网络的普及进程。这其中就包括混动电动汽车，这类车型正逐步采用48伏电气系统，以支持主动悬架、电动涡轮增压技术，以及日益丰富的电池、发动机和座舱冷却用泵体与风机设备。

这些全新设计能够应对传统12伏系统难以承载的大负载，同时又规避了纯电动汽车主流高压驱动系统（通常为400伏及以上）所需的复杂结构与安全防护措施。

为何48伏供电成为汽车领域的必要选择

汽车转向48伏直流供电系统的底层原理十分简单：功率（P）=电压（V）×电流（I）。将电压从12伏提升至原来的4倍，能够以更低的电流实现同等功率传输。这一优势深受一级零部件供应商工程师与汽车整车厂商的青睐（见图1）。通过降低汽车高功率子系统线束的电流负载，48伏系统可采用更轻量化、更细规格的导线，不仅能减轻整车重量，还能显著降低成本。

图1：混动及纯电动汽车的热管理需为多个子系统维持最佳温度，包括高压电池、驱动单元和乘员舱。

除实现减重与降本外，切换至48伏供电系统还可大幅降低电流流经线束时产生的欧姆损耗（I2R损耗）。这意味着产热可能减少，进而实现更高效的热管理。

虽然高于48伏的电压能进一步节省能耗，但也需付出相应代价。直流电压超过60伏时，美国职业安全与健康管理局（OSHA）的相关规范，以及国际电工委员会60950标准、国际标准化组织6469标准等行业准则，均会提出防护要求，这会增加产品设计与认证的成本和复杂度。此外，电容器、MOSFET、连接器等高压额定元器件，通常价格更高、采购难度更大，且在空间受限的应用场景中集成难度也会提升。

在高电压与高开关频率的工况下，工程师还需应对更为显著的电磁干扰（EMI）与可靠性问题。在可预见的未来，48伏电压恰好处于黄金区间：既足以实现可观的效率提升，又能规避全高压设计的复杂难题。

48伏系统或间接催生新的热管理挑战

尽管48伏系统具备效率优势，但也存在一系列独特问题，反而可能使混动及纯电动汽车的热管理设计变得更为复杂。工程师通常会遇到的三大难题，分别是电压瞬变应对、尺寸限制与可靠性保障以及边界工况适配。

耐受电压瞬变

48伏供电总线虽标称电压为48伏，但在实际工况下，受瞬变现象影响，必须能够耐受远高于标称值的电压。负载突卸、感性反冲及其他电力异常状况，都可能导致电压飙升至70伏以上。

国际汽车标准（如国际标准化组织21780标准、欧洲低压148标准）均明确要求设备具备可靠的瞬变应对能力，以此认可这一工况特性。例如，在设计电机控制集成电路时，建议汽车工程师选用额定电压高达90伏的高压MOSFET驱动器，确保留有充足的电压余量，从而在安全吸收瞬变电压的同时避免系统损坏。这类集成电路还需能够承受驱动电机等感性负载时产生的反向瞬变电压。

小型化需求

冷却风扇与冷却泵所用的电子控制单元（ECU），需满足小型化要求，且能适配不同车型。不同车型的ECU外形尺寸与安装空间要求各异，因此需要具备灵活的软硬件解决方案。

此外，ECU需兼具热管理控制、远程在线升级功能，并拥有充足的存储空间用于故障诊断与数据记录，这就要求其采用集成度高、可编程的解决方案，并配备大容量片上闪存。

恶劣工况下的可靠性

电池冷却系统必须能在严苛环境中稳定运行，需耐受剧烈的温度波动、粉尘侵蚀和振动干扰。系统除配备热关断功能外，还需搭载完备的诊断与保护模块，用于监测关键电压值与过流状况。以发动机冷却风扇为例，即便遭遇气流堵塞或其他边界工况，ECU也必须实现平稳启动，并维持风机正常运转。

这就需要借助模数转换器，精准检测负载变化与系统参数，使ECU能够及时识别气流堵塞等异常情况，并据此调整风机运行状态。

制定热管理解决方案

一套成功的热管理解决方案需从两个维度入手解决问题：主动散热与被动降低热负荷。具体可通过智能风扇和泵体实现主动冷却，同时通过最大化系统效率，从源头上减少需要管控的热量。

在混动及纯电动汽车中，该策略用于维持高压电池、驱动单元和乘员舱的最佳温度，这一举措直接影响车辆的续航里程、电池寿命及驾乘舒适性。这些子系统依靠各类电力电子模块，对不同流体进行精准控制。

泵体负责驱动水、油等液体冷却剂在电池和驱动单元中循环，压缩机则调控制冷剂，为座舱热泵系统提供支持。智能阀门通常结合高分辨率磁位置传感器的反馈信息，实现对流体在系统内流转过程的精准位置控制。

高压电池必须在狭窄的温度区间内工作（通常为20至40摄氏度），以此防止可能引发电池起火或爆炸的热失控现象（见图2）。这一温度控制措施，同时也有助于缓解电池性能衰减、延长电池使用寿命，并提升依赖泵体和风扇运行的冷却系统的充电效率。

图2：混动及纯电动汽车的电池必须在20至40摄氏度的窄温度区间内运行。

驱动单元包含电力电子器件与电动机（见图3）。电力电子器件正越来越多地采用氮化镓（GaN）或碳化硅（SiC）功率场效应晶体管，凭借其更高的运行效率提升性能，但这类器件仍需完备的热管理方案，以确保工作在最佳温度区间。

图3：回收电子器件与电机产生的废热可延长车辆续航里程。

就电动机而言，其需配备液体（通常为机油）冷却系统，而回收电子器件与电机产生的废热，为座舱及电池供热，对延长车辆续航里程至关重要。

混动及纯电动汽车座舱的热管理直接影响车辆续航（见图4）。热泵系统不直接产生热量，而是通过转移热量实现制冷或制热，以此提升能效，为座舱或电池调节温度。这类双模系统取代了传统独立的加热器与空调装置，降低了能耗、整车重量与成本。在这类系统中，电动空调压缩机的控制是电机控制领域的一大关键挑战。

图4：座舱冷却系统必须适应多变的负载工况。

如何为48伏热管理系统选择最优元器件

为确保48伏系统热管理的稳定性，工程师应选用兼具电气耐受性、传感精准度与高集成度的电子电气解决方案。需重点关注的核心特性包括：

• 宽工作电压范围（5.5–90伏），确保耐受电压瞬变，同时兼容12伏与48伏两种架构。

• 集成式保护与诊断功能覆盖过压/欠压、过温、桥路故障等关键参数，提升系统可靠性。

• 先进的无传感器电机控制算法，如高频注入法（HFI），可省去外置位置传感器，降低物料清单（BOM）成本并提高系统稳定性。

• 完整的信号链方案：搭载集成栅极驱动器的智能电机驱动器，这类器件是将控制器指令转化为高功率输出的关键纽带；其可编程转换速率等特性，可帮助工程师精准平衡系统效率与电磁干扰（EMI）性能。

• 集成式磁电流传感器：采用电气隔离方式实现电流测量，且插入损耗极低。与传统分流电阻不同，这类器件不会产生显著的欧姆损耗和热管理难题，凭借紧凑的设计即可为先进电机控制提供精准反馈，同时简化系统设计与封装流程。

上述特性能够帮助工程师打造出结构紧凑、性能可靠、软件可定义的热管理模块，满足下一代混动及纯电动汽车对响应速度与运行效率的严苛要求。

制定热管理策略，优化48伏系统性能

随着功率需求持续增长，且系统架构愈发紧凑、电气化程度不断提升，48伏供电架构在效率提升、线束简化与热控制方面的优势愈发凸显。但这些优势也伴随着新的设计挑战，尤其是在热管理领域，即便是细微的设计疏漏，都可能导致系统性能下降甚至引发严重故障。

无论是控制鼓风机风扇，还是管理混动及纯电动汽车电池主动冷却系统，48伏系统面临的挑战都高度相似：瞬态保护、功率密度、实时监测以及负载工况下的可靠性。

应对这些挑战需要采取系统级方案，选用专门设计、可协同工作的器件。工程师通过整合一套完备的器件组合，从高压栅极驱动器、电机控制集成电路，到为其提供数据支撑的电流与位置传感器，即可构建出高性能、高可靠性的热管理系统。

这种依托可扩展平台的技术策略，不仅能简化开发流程、促进软件复用，更能充分释放48伏供电系统的潜力，从而缩短下一代混动及纯电动汽车的充电时间，延长续航里程。