48V技術為了遵循CO2規格，可實現再生煞車及中間能源儲存等功能，之後還能針對傳統燃燒引擎提供電氣支援，不過在未來限值方面，似乎無法重現相同效益，因此許多汽車製造商都以HV-BEV為發展方向。圖1顯示在遵循未來限值的情況下，電動車市占率可能的發展情形。這說明為何各界通常將48V車輛電氣系統視為銜接技術。
就技術觀點而言，本地零排放的純電動車顯然是理想解決方案，必須依此進行開發及推廣。不過是否要完全仰賴HV電動車，則成為各界爭論的話題。其中的風險在於燃料電池或CO2中和合成燃料等充滿潛力的技術，其開發工作可能會因此受到影響，導致喪失潛力十足的關鍵技術。此外如果全球改為使用純電動車，在原料生產及能源產生方面，還無法達到CO2中和的境界，特別是能源組合及HV電池的生產及回收問題，可能對碳足跡造成負面影響。其中的決定性因素，將是實作電動車技術在未來實現CO2中和目標的時間，以及48V車輛電氣系統如何為此提供支援。因此以下主要將探討48V車輛電氣系統是否只能作為銜接技術，以及是否具有進一步的發展潛力。
48V架構/應用逐步成市場矚目焦點
動力傳動系統有各種電機(EM)整合選項(P0至P5)。連接式燃燒引擎的「增壓」及「動能回收」，以及分離式燃燒引擎的「滑行」等基本功能，可在所有組態中實現，其中分離運作時必須使用自動啟動離合器。有別於受曲柄軸速度影響的P0及P1組態，P2至P5組態的共同點，就是可在內燃機引擎分離時回收煞車動能，並在48V系統的效能範圍內實現純電動駕駛。P4及P5架構也能以48V系統為基礎實現全輪駕駛功能。
不論驅動時使用的是HV-BEV、燃料電池或合成燃料，其他裝置的48V電壓位準都比12V更節能，在車輛中的安裝及運作也比HV更簡單，具有最佳化的可能性。視驅動概念而定，圖2顯示可能的48V應用，例如2~4kW的電動渦輪增壓器(eTurbo)、4~5kW的電動空調壓縮機(eA/C)、1~5kW的電動催化劑加熱(eCAT)、PTC輔助加熱器及擋風玻璃除冰等電動加熱器、1~5kW的電動驅動及滾動穩定(ERC)、最高1kW的泵及風扇，以及其他需要高電源密度及/或連續使用的應用。目前採用P2-P4組態的第二代輕油電混合車，正以48V為發展方向開發前述應用，此外也在HV-BEV作為第三電壓位準。
如果再稍微進一步探討都會行動商業部門的未來發展，或是所謂的「公共運輸行動服務(MaaS)」整體概念，就能為48V技術開創更多應用機會。相較於HV-BEV目前所需因應的極長範圍(>400km)及持續縮短充電時間等需求，48V技術的主要焦點為成本、電池重量、隔離保護，以及2km至20km的短距離行駛。有足夠時間在工作期間、整夜或類似期間進行充電，視車輛基礎設施及停車情形而定。對此項需求而言，計算顯示30kW驅動足以讓小型都會車完成都會及陸上的標準週期。此外，48V BEV動力傳動系統的成本，在此運作週期中約比HV400V BEV動力傳動系統便宜25%。目前市面上已經有負載最高1,000kg的商用車採用48V BEV，而採用48V BEV的摩托車及電動機車也在市場上站穩腳步，部分車款甚至採用可更換電池。以上所有實作都能採用已開發或預定開發的輕油電混合車應用，例如含電池管理系統(BMS)的電池、變頻器、DC/DC轉換器及輔助設備。
MaaS如何持續發展仍是問題所在。即使是傳統汽車製造商，目前也重新調整定位，並擬定策略轉型為MaaS供應商，定義全新的生態系統。這類車款因應完整行動力範圍的問題，除了可讓數人搭乘的小型都會車外，也有類似於EasyMile的「接駁POD」，提供12位乘客的運輸能力，並以類似於巴士的「人員移動裝置」及「貨物移動裝置」作為最後一哩服務。前述車款由於重量高於小型都會車，因此需要更高的電源密度。這可能讓48V不僅用於傳統動力傳動系統及輔助裝置，也將用於轉向、煞車及駕駛穩定性等項目，此外也可能用於輪轂馬達。類似應用也出現在卡車、農業、營造機械、堆高機、特殊車輛及航空市場。
即使前述應用只有部分獲得實作，且未來發展仍有很長一段路要走，但這有可能大幅延長48V的生命週期。
48V架構巧搭車載元件精準控制
48V車輛電氣系統的半導體，主要用於控制電動馬達、配電變頻器或向輔助裝置供電，還以DC/DC轉換器連結48V及12V電氣系統層級。其中的對應元件包括感測器、微控制器、電源供應器、通訊及驅動器IC。
圖3顯示控制啟動器-交流發電機的半導體基本配置；啟動器-交流發電機是48V車輛電氣系統的關鍵元件。為了向微控制器供電，因此將系統電壓(48V)降低至微控制器及其他IC的一般程度。這是供電IC(安全系統供電)的基本功能，也可在功能安全領域執行其他作業。微控制器可實現電動馬達的場導向控制，以及在交流發電機運作時控制勵磁機繞組。微控制器為此實作複雜的計時器單元，並透過各種通訊匯流排(例如CAN)與車輛的其他控制單元通訊。
如果使用適當的感測器，電動馬達轉子的轉子位置及旋轉速度，以及目前通過變頻器的電流，就可接受量測並傳輸至微控制器。智慧型感測器IC已經可以在內部處理量測資料，並透過感測器匯流排以數值方式將此項資料提供給微控制器。為了精準控制馬達，也必須將個別馬達相位的電流傳輸至微控制器，因此會在變頻器使用分流電阻器，或使用磁場感測器判定電流。
低損耗MOSFET通常在48V車輛電氣系統作為功率級IC，大多是以專屬的三相驅動器控制及監控，並可於緊急狀態時切換為安全狀態。除了馬達驅動器IC以外，其他重要元件還包括高效能閘極驅動器IC，可搭配MOSFET提供高度可靠的電池開關或安全開關，因應48V/12V隔離需求。48V車輛電氣系統以DC/DC轉換器與12V車輛電氣系統電氣耦合。
48V系統需慎選應用
半導體商如英飛凌(Infineon)為48V系統提供完整的晶片組系統解決方案，其中涵蓋穩壓器、收發器、感測器、微控制器、智慧型電源驅動器，乃至於電阻較低的MOSFET。
AURIX微控制器系列可謂成功，特別是動力傳動系統領域，不過也能因應其他領域需求，例如安全或駕駛輔助系統。同時最新一代AURIX TC3xx產品(40nm搭配嵌入式快閃記憶體)也正在生產，提供高效能及高效設計的所有要素。這樣設計人員就可選擇各式各樣的可擴充記憶體容量、周邊裝置功能、頻率、溫度及封裝選項。AURIXTC3xx系列採用多核心架構，包含六個獨立運作的32位元TriCore處理器核心，運算效能遠超過前代產品。該微控制器結合即時功能、資料安全及功能安全，能夠滿足最高ASIL-D的ISO 26262系統需求。
AURIX與TLF35584安全供電裝置是良好組合。外部安全裝置不僅提供電力，也能監控供電及微控制器的功能安全(例如看門狗)，有時也負責在發生安全相關故障事件時，將系統切換為安全狀態(失效安全)。如此可提高系統可用性，同時也能個別設定微控制器的錯誤回應。48V系統的其他重要通訊及電源元件為隔離CAN收發器及橋接驅動器IC。
48V應用對80V及100V MOSFET具有高度需求，用於啟動器-交流發電機(皮帶驅動或整合式)、DC/DC轉換器或電池主開關等應用。而英飛凌OptiMOS5系列提供可擴充的低導通電阻器(最低1.2mΩ)產品組合及多種封裝，例如新型TOLL(TO無鉛)、TOLG(HSOG-8)、TOLT(頂端冷卻提供高效能)、裸晶及晶片嵌入。
同時，48V系統也需要精準強大的感測器，感測BLDC馬達的轉子位置，以及用於量測電流。基本上感測器占用空間應越小越好，具備低損耗、彈性及符合成本效益等特性，並在完整的服務壽命期間提供高度精準、強大及安全的運作。例如霍爾型電流感測器XENSIV TLI4971，是英飛凌新系列「無核心」電流感測器的首款產品，可因應前述所有需求，量測電流最高可達120A，經校正後可供貨使用。
晶片嵌入技術降元件/接合複雜度
如英飛凌與Schweizer Electronic AG也合作開發功率MOSFET晶片嵌入技術(圖4)。這項技術可提升最高60%的48V系統效能，同時降低元件及接合技術的複雜度。晶片嵌入技術的MOSFET，並不像之前一樣焊接至印刷電路板，而是直接整合，也就是所謂的標準單元，其採用銅製導線架的MOSFET裸晶。其中提供的相關熱能及電氣優勢，可大幅提升電源密度，同時也更為可靠，特別是在與陶瓷模組比較的情況下。這樣開發人員就能提升48V系統效能，或使其更具成本效益。例如整合式48V啟動器-交流發電機扮演重要角色，讓輕油電混合車排放的CO2比傳統傳動動力系統減少15%。
依據本文所述背景及應用範例，針對車用48V車輛電氣系統電壓技術進一步投資及系統最佳化，無疑為合理作法。
(本文作者皆任職於英飛凌，Dusan Graovac為汽車系統工程部門總監暨全球負責人；Christoph Schulz-Linkholt為配電部門首席系統架構師；Thomas Blasius任職於汽車車體系統行銷部門)
