汽车电气化浪潮

汽车行业正借由电气化掀起持续变革，传统的机械传动系统正为电气化的组件和系统取代。这种变革正在深刻改变着当今车辆的设计，其影响范围广泛而深远，车型正在不断从内燃机不断向轻度混合动力和全电动架构转变。

近年来，火车电气化一直在逐步推进。（图片来源：Getty Images）

随着系统从化油器和简单的排气系统发展到精密燃油喷射器、排放系统以及牵引力和制动控制系统，电气化领域也在新架构、电机组件、电池组和先进电力电子设备方面取得了类似的进步。这些进步共同推动着工程师们重新构想车辆的设计与驾驶方式，力求实现效率、可靠性与安全性的最大化。

来自两家行业领先电子企业的专家——Molex 的业务开发经理 Matt McWhinney 和 Kirk Ulery，以及 DigiKey 的技术营销经理 Shawn Luke——深入剖析了当下电气化浪潮的发展现状，以及汽车行业未来发展的关键考量因素。

车型市场格局

尽管备受关注的电动汽车和混合动力汽车需求持续增长，但近几个月来，受市场、公共政策等多重因素影响，全新电动汽车的销量增速已有所放缓。行业专家指出，成本问题以及美国充电基础设施的不足是两大主要原因。

“在北美地区，电气化进程一直断断续续，”Ulery 表示：“如果你一次行驶超过 100 英里，就会发现充电基础设施亟待完善。”

另一方面，混合动力汽车的销量正超过电动汽车。根据 Edmunds 的数据，2023 年美国市场的混合动力汽车销量迎来最大幅度增长，从 2022 年的 75 万多辆跃升至 2023 年的超 100 万辆。

另一类新兴车型是轻度混合动力车，其借助电池供电的电动机来辅助汽油或柴油动力。大多数轻度混合动力车采用 48 V 电气系统，这一电压高于传统内燃机汽车的电气系统。该 48 V 系统为不依赖发动机的部件提供动力，从而提升了车辆的运行效率。

尽管汽车设计领域创新步伐迅猛，但燃油车仍在道路上占据主导地位。Edmunds 的研究显示，当前美国市场售出的新车中，82% 为燃油车。不过，从传统车型到最先进的高科技电动汽车，电气化浪潮已全面展开。

引擎盖下的电气化

Ulery 指出：“我们观察到一个不变的趋势，那就是电气化程度正大幅提升——出于多种原因，所有车辆中的机械系统都在向电气化转变，其中最主要的原因是为了提升效率。”

其中一个例子就是启停技术，当车辆停止时，该技术会关闭发动机，并在驾驶员松开刹车或踩下油门踏板时自动重新启动发动机。尽管这一功能会给部分部件带来额外负荷，但其目的在于提高燃油效率并减少温室气体排放。

其他引擎盖下电气化的实例包括散热器风扇、动力转向系统、HVAC 系统以及冷却泵。这些系统过去均依靠内燃机 (ICE) 通过皮带传动来提供动力。电动水泵正逐步取代机械散热器水泵，以实现更高效的性能，而通过电动冷却系统的精准控制，还能延长这些部件的使用寿命。若配备扩展电池管理功能，电动水泵还可在整车范围内循环冷却液，从而调节电池组、电动机及功率电子器件的温度。

转向电动助力转向泵等电动模块后，系统不再依赖发动机，这减少了寄生负载，使得可以有更多马力用于驱动。因此，汽车制造商可在部分车型中搭载更小排量的发动机，在保持同等驾驶性能的同时，提升效率并降低排放。

Luke 指出，“电气化为创新型车辆设计打开了大门。无需再为适配传统内燃机的‘皮带传动架构’预留空间，汽车制造商在电池和充电接口的布局上拥有了更大灵活性，还能增加乘客或货物的承载空间，并实现更多可能性。”

总体而言，电气化浪潮正以更高效的精准电控系统取代传统机械系统。结合软件控制技术的进步，现代车辆更加清洁、节能，无论对乘用车还是商用车用户而言，都能兼顾性能与可持续性。

汽车电池的技术进步

过去十年间，汽车制造商已从 12 V 电池转向更高电压的电池，例如 24 V （尤其适用于商用车），如今又转向 48 V 电池，以此提升功率容量、减轻车辆重量、改善加速表现并实现燃油节约。

48 V 电动汽车充电需要更安全、更可靠的充电站供电能力。（图片来源：Getty Images）

美国和欧洲的相关立法已为新生产车辆的减排奠定了基础。在法规与市场力量的共同推动下，轻度混合动力架构（包括集成启动发电机）的应用日益广泛；48 V 技术不仅在轻度混合动力车型中普及率不断提升，似乎也有望在更多内燃机平台上得到应用。

向 48 V 架构转型不仅是提高系统电压这么简单，还需要改变电气基础架构。功能丰富、性能更强的车辆依赖更轻、更小的部件，这些部件需具备与高密度型号同等的电气效率。

Ulery 表示，“12 V 和 48 V 系统的共同之处在于，均将传统机械功能从蛇形皮带转移到一系列电动机上。”他举例指出，“重型皮卡过去依靠机械能实现动力转向，而如今在许多车辆中，这一功能正走向电气化。动力转向所需的能量会消耗发动机的马力，因此通过将这种消耗转移给独立的电气系统，驾驶员就可以为传动系统保留更多动力。”

考虑到对设计和制造流程的重大影响，汽车行业向更高电压系统的转型是一个渐进的过程。每家制造商的转型进度各不相同，这取决于其产品特性、技术成熟度以及所服务客户的需求。此外，所有制造商都必须遵循与所用技术相关的标准和设计规范，其中包括：

• ISO 21780，该标准覆盖针对配备 48 V 标称电压电气系统的道路车辆中的电气及电子组件的要求和测试。
• VDA Recommendation 320，由德国电气电子行业协会 (ZVEI) 发布并维护，涵盖了汽车电气及电子组件在 48 V 电源系统开发方面的一系列规格与测试标准。

遵循该标准实现智能电池管理，是 48 V 架构取得成功的关键所在。通过合理的设计流程，汽车制造商能够避免蓄电效率低下、成本增加以及驾驶员的潜在安全风险。

安全为先的互联基本原则

随着车辆需要比以往更多的电力来支撑起日益复杂的电气功能，为 48 V 系统设计可靠的连接器需依托多项基本要素，才能满足车辆性能和安全标准。

McWhinney 表示，“电子设备及相关基础设施，也就是支持车辆运行的互联系统，对安全至关重要。”

由于 48 V 系统的工作电压较高（高于 12 V），连接器和电气系统必须采用耐用材料并配备适当的绝缘装置，以确保安全可靠的性能。在电压高于 48 V 时，这一点变得尤为重要。

连接器故障可能导致车辆系统出现故障或安全隐患。为防止连接断开，连接器应配备锁定机构和应力消除装置，并需要进行定期检查与维护。

McWhinney 继续道，“如今，电气系统的安全性与监控比以往任何时候都更为重要。”

在更高电压的应用场景中，保持信号质量至关重要。信号完整性不佳可能引发故障，因此连接器必须借助屏蔽电缆、恰当的接地处理及合理布局，将信号损耗和干扰降至最低。解决这些问题需要创新思维与专业技术，而这正是先进连接器解决方案的用武之地。

Luke 补充道，“这听起来像是基本要求，但人们往往低估了互联技术在汽车设计中的重要性，尤其是对安全性的影响。”

紧跟变化与零部件认证

满足安全要求固然是首要任务，但 McWhinney 指出，另一大挑战在于车辆电气系统的要求一直在变化，这迫使制造商不断跟进，持续改进连接器及其他部件。

制造商可参照美国汽车研究理事会 (USCAR) 标准，追踪性能要求，并仔细审查和认证已批准的零部件，以确保其在汽车行业中的安全使用。

符合 USCAR/LV214 或类似标准的零部件，通常是高品质、坚固耐用且性能可靠的产品，即便在路况恶劣的环境中，也能经受住考验，保持性能稳定。例如，Molex 的 MX150 连接器系列专为工作在恶劣环境中的车辆设计，能耐受极端温度、振动和潮湿的影响。

图示为 Cybertruck 上的 Molex 连接器。（图片来源：Molex）

Luke 指出，“随着车辆设计领域涌现出更多创新机遇，越来越多的汽车制造商开始采用电气化方案。由于创新周期极快，该领域几乎没有标准化平台。不过，车型种类的增加为消费者提供了更多选择，而且我们预计，随着技术进步和产量提升，车辆成本可能会有所下降。”

商用车领域的考量

尽管本文已对乘用车多有提及，但文中所讨论的一切变革，在商用车 (CV) 领域其实早已发生。商用车早已从 12 V 系统快速过渡到 24 V 系统，为柴油动力及部分电气系统供电，这使得它们在过去能够使用更小的启动器。商用车的电动 HVAC 应用也有着悠久历史，尤其在公交车、工程车辆、农用机械及重型卡车等车型中更为常见。

商用车的设计初衷通常是帮助所有者/运营商创造收益，因此其运行可靠性至关重要。商用车对可靠性的要求通常高于乘用车，这就需要额外的密封处理和更强的耐用性。

无论设计是针对乘用车还是商用车，如今的工程师都必须考虑众多复杂且高能耗的系统与功能，这些系统不仅要满足消费者和商业需求，还需具备高效、耐用和安全的特性。值得庆幸的是，技术供应商已做好准备，有能力研发出相关技术以解决这些创新过程中的难题。

当汽车工程师们正在重塑交通未来时，像 Molex 这样的供应商以及 DigiKey 这样的分销商一直在并肩作战，努力通过提供高品质的零部件、服务和专业技术，为这一变革的实现提供鼎力支持。