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干掉整车12V低压蓄电池？CATL的高低压创新集成方案解析

大家有没有好奇过，为啥乘用车上的电瓶都是12V，而不是8V、18V或者20V。这就不得不提汽车上的铅酸电池。相比起现在大家熟悉的新能源锂电池来说，铅酸电池不仅成本低廉，技术也非常成熟，更关键的是它还支持大电流的放电，足以带动燃油车启动机这种需要瞬间很大功率的“电器”。

至于为啥是12V，则是因为铅酸电池的正负极分别是二氧化铅和铅，在硫酸溶液中，二者的电动势差刚好是2V多一点的水平。而目前主流的铅酸电瓶都采用6组电池串联的设计，总电压也就是12V了。

由于燃油车已经发展了几十、上百年，12V的汽车电瓶已经非常成熟，所以几乎车上所有用电的设备都是走12V电压工作的，包括但不限于车窗、中控锁、车机、扬声器、刹车助力等一系列电器设备。新能源电动车作为后来者，为了降低研发和供应链成本，采用现成的12V电子设备自然是最简单有效的方式。

即使目前很多车型采用了4串锂电池串联方案做的低压12V锂电池替代铅酸，包括很多车企的线控底盘开始采用48V系统，但依然受制于必须采用蓄电池这一模式。

宁德的这个方案提出了一种全新的供电架构,可以取消整车低压蓄电池,利用动力电池实现车辆的低压配电,无需低压蓄电池的更换和维护,也无需在整车结构内预留蓄电池的空间,有利于电控系统的布置和简洁化。

下面，我们就通过宁德时代的相关专利，来具体分析如下问题：

1、12V蓄电池的局限性与整车应用端的挑战；

2、宁德时代的创新方案如何取代这些功能。

1、功能定位与历史沿革

传统架构核心：12V 蓄电池作为低压系统核心，为车载控制器（如 BCM、VCU）、灯光、转向助力、制动系统等提供稳定电源，同时承担高压系统预充供电、峰值时的功率补偿功能。

技术局限：

① 能量孤岛：独立于动力电池，需单独充电（依赖车载发电机或高压 DCDC），存在充电效率低、硫化损耗等问题（传统铅酸典型寿命短，更换成本高昂）。

② 空间刚性需求：需固定安装于发动机舱或后备箱，占用一定的空间，且在碰撞中容易受挤压，导致失效。与电动车追求的紧凑化、空间利用率目标冲突（如A 级电动车电池包需扩容时，传统蓄电池位置难以复用）。

③ 低温性能瓶颈：铅酸电池在 - 20℃时容量骤降 50%，导致冬季启动故障，而锂电池方案虽改善性能，但成本与安全性（如过充风险）仍需平衡。

2、新能源汽车的特殊挑战

高压系统依赖：电动车高压上电前需通过 12V 蓄电池预充高压回路（如预充继电器线圈供电），若蓄电池亏电，将导致整车无法启动。

能量管理割裂：低压系统与高压系统独立，需高低压两套 BMS（电池管理系统），集成度低，增加电控复杂度。

法规推动：欧盟《电池法》要求 2025年起电池未来回收利用率逐步达 95%，传统铅酸电池回收污染问题凸显，而取消独立蓄电池可减少整车电池种类，简化回收流程。

下面，我们就结合宁德时代的相关专利，重点了解一下这个创新方案如何解决没有12V之后的高压上电预充，高压下电及后续低压供电等问题。

1、高压上电预充功能的实现

预充电源切换：

传统方案中，预充继电器（包括上图总正继电器 K1）由 12V 蓄电池供电；

宁德方案中，整车未上高压时，电池组 110（取自动力电池包的部分单元，如 48V 锂离子电池组）通过第二电压转换电路 220（全桥整流逆变电路，下图中 Q5-Q8）将直流电转换为交流电；

经多绕组变压器 T0 的第二绕组耦合至第三、第四绕组，再通过第三电压转换电路 230（半桥整流电路，Q9-Q10）和BUCK 电路 410（Q11-Q12、L3）输出 12V，为预充继电器线圈供电。

电压匹配与安全：

电池组 110 电压（如 48V）通过 DCDC 电路降压至 12V，满足预充继电器工作电压；

同时，主控电路 400 实时监测预充电流，当检测到高压回路电阻异常（如短路），立即切断第二电压转换电路，避免继电器粘连（其中第十三开关单元 Q13 用于电池组充放电管理，防止过流）。

2. 高压下电逻辑与低压持续供电

下电阶段负载过渡：

传统方案中，高压下电后由 12V 蓄电池独立供电；

宁德方案中，主控电路先断开总正继电器 K1、总负继电器 K2（下图中电池管理电路 500），切断高压输出，随后控制第二 DCDC 模块 250（下图中独立 DCDC 模块方案）启动，由电池组 110 继续为低压负载（如车机、氛围灯）供电，直至整车进入休眠状态。

能量回收与电池组保护：

下电前，若低压配电电路 300 存在剩余能量（如电容储能），主控电路控制第一双向开关单元 310（下图中 T1-T2 对顶 MOSFET）导通，将能量通过第一 DCDC 模块 240 回馈至动力电池包 100，同时监测电池组 110SOC，当低于 20% 时触发保护，禁止深度放电。

3.、低压系统全场景覆盖（取代蓄电池核心功能）

① 启动供电：车辆唤醒时，电池组 110 通过第二 DCDC 模块 250 直接为 ECU、传感器供电（取代蓄电池 “冷启动” 功能，

② 功率补偿：当低压负载瞬时功率超标（如启动雨刮 + 空调，超过第一 DCDC 模块 240 额定功率），主控电路激活第二 DCDC 模块 250，由电池组 110 协同供电，避免电压骤降。

③ 故障冗余：若第一DCDC 模块 240 故障，电池组110通过第二 DCDC 模块 250 独立供电，确保制动助力泵、转向系统至少运行30分钟（满足 ISO 26262 ASIL-B 安全等级）。

1、DCDC 电路架构

多绕组集成变压器 T0：

包含第一绕组（P1-P2，连接动力电池包 100）、第二绕组（P3-P4，连接电池组 110）、第三 + 第四绕组（P5-P6-P7，并联后连接低压配电电路 300）。

创新点：第三、第四绕组同名端与异名端反接，形成推挽结构，提升低压侧输出效率（较传统单绕组 DCDC 效率提升 5%，达 95% 以上）。

电压转换电路配置：

第一、第二电压转换电路（210/220）：全桥整流逆变电路（Q1-Q4/Q5-Q8），支持双向能量流动（动力电池包→电池组 / 电池组→动力电池包），用于电池组均衡。

第三电压转换电路 230：半桥整流电路（Q9-Q10），配合 BUCK 电路 410（Q11-Q12、L3）实现低压恒压输出（12V±0.5V），满足车载电子设备电压精度要求。

2. 主控电路与能量流控制

三端能量流逻辑：

① 高压正常时：动力电池包 100→第一电压转换电路 210→变压器第一绕组→第三 / 第四绕组→第三电压转换电路 230→低压配电电路 300（主供电路径）。

②  高压关断时：电池组 110→第二电压转换电路 220→变压器第二绕组→第三 / 第四绕组→低压配电电路 300（备用路径）。

③  电池组补电时：动力电池包 100→第一 DCDC 模块 240→低压配电电路 300→第二 DCDC 模块 250→电池组 110（双 DCDC 模块方案）。

工作模式切换：

①  第一工作模式（低压配电为主）：Q2、Q3、Q10、Q11 导通，Q1、Q4、Q9、Q12 关断（图 3），适用于常规负载场景。

②  第二工作模式（预充 / 故障应急）：Q1、Q4 导通（软开关启动），Q12 导通实现同步整流，确保低功耗下的稳定输出。

3、 低压配电电路设计

负载分级控制：

安全负载（刹车、转向）：通过第二负载开关单元 330（图中 T6-T7）连接至第二 DCDC 模块 250，优先供电，主控电路直接控制其通断（响应时间＜10μs）。

非安全负载（娱乐系统）：通过第一负载开关单元 320（T3-T5）连接至第一 DCDC 模块 240，支持休眠时单独断电，降低静态功耗。

双向开关单元：第一双向开关单元 310（T1-T2 对顶 MOSFET）实现第一 / 第二 DCDC 模块能量互流，支持电池组补电与峰值功率补偿。

宁德的方案实现对传统 12V 蓄电池的功能替代，核心在于多绕组 DCDC 电路与动力电池组的深度整合。

整车厂需在技术端突破高频能量转换与可靠性设计，在商业端平衡成本优势与供应链风险，最终实现从 “双电池系统” 到 “单电池系统” 的革命性升级，契合电动车轻量化、集成化的发展趋势。

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