數字電源管理在汽車(chē)中的應用

　　摘要：通過(guò)面向計算應用的DC/DC多相轉換器相關(guān)的技術(shù)和專(zhuān)業(yè)知識介紹，推廣新型汽車(chē)用多相產(chǎn)品，包括功率部分和數字控制器以處理系統的相位及其監控功能。

　　汽車(chē)行業(yè)的終極目標是普及純電動(dòng)汽車(chē)，這樣只需一組電池即可實(shí)現包括牽引在內的所有板上功能，而我們距離這個(gè)目標還非常遙遠。電池的儲能密度(單位：千瓦時(shí)/千克)仍然不足以支持汽車(chē)正常的日常使用，電池續航能力還很有限而且成本過(guò)高。

　　然而，近十年來(lái)不斷飆升的燃油成本和降低汽車(chē)尾氣排放量的環(huán)保要求推動(dòng)了啟/停系統在所有新車(chē)中的應用，以及市面上首個(gè)油電混合動(dòng)力汽車(chē)系列的推出。標準內燃機汽車(chē)和全EV(電動(dòng)汽車(chē))之間的折中解決方案就是該行業(yè)下一階段技術(shù)升級的重點(diǎn)。啟/停功能現已被世界某些地區(以歐洲為主)的很多汽車(chē)制造商廣泛采用，下一步就是推出兩種引擎(內燃機和電動(dòng)機)共存的油電混合動(dòng)力汽車(chē)。

　　如今有多個(gè)HEV種類(lèi)及其充當EV的等級。汽車(chē)內主要應用轉向48V電池的新趨勢向汽車(chē)制造商提出了新挑戰 - 48V電源線(xiàn)上12V設備的兼容性和用于管理48V與12V電池間能量流的中/大功率DC/DC雙向轉換器。該轉換器必須在300W至3kW-5kW的功率水平下處理雙向能量流，而這是無(wú)法用簡(jiǎn)單的單相拓撲進(jìn)行管理的，因此汽車(chē)制造商面臨全新挑戰，即開(kāi)發(fā)采用多相配置的大功率升/降壓轉換器。

　　首先引入了“微油電混合動(dòng)力汽車(chē)(mHEV)”這個(gè)概念，于是48V電網(wǎng)理念隨之而來(lái)。mHEV的理念就是利用48V鋰離子電池儲存再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量，后者將汽車(chē)的動(dòng)能轉變成電能來(lái)為電池充電，然后用它為同一條48V線(xiàn)路上的所有設備供電或者向下變?yōu)?2V線(xiàn)路，最終提高了汽車(chē)效率和燃油續航力。

　　mHEV的上一個(gè)智能版本最近被稱(chēng)為i-mHEV，區別在于ICE(內燃機)關(guān)閉時(shí)利用48V電動(dòng)機實(shí)現汽車(chē)的短程運動(dòng)或維持巡航速度。當汽車(chē)行駛在擁擠的城市街道或者平坦的機動(dòng)車(chē)道(這是電動(dòng)機最常見(jiàn)的使用環(huán)境)上時(shí)，這極大地降低了油耗。

　　中壓DC/DC轉換器

　　由于板上有2組電池，所以就不可避免地存在著(zhù)需要均衡能量和將能量從一組電池轉移到另一組上的情況。實(shí)現這種功能的關(guān)鍵就在于48V-12V DC/DC轉換器：所有仍采用12V電壓的服務(wù)，例如某些汽車(chē)的汽車(chē)收音機、信息娛樂(lè )、泵、制動(dòng)器和EPS，使用這種必須利用鋰電池不斷為其充電的電池。根據被轉移到12V網(wǎng)絡(luò )上的服務(wù)數量的不同，可能需要在幾百瓦至1.5kW或更高的功率水平下進(jìn)行降壓操作。

　　另一方面，我們可能需要在升壓模式下將某些能量從12V電池轉回到48V網(wǎng)絡(luò )上，以便在緊急情況下實(shí)現最小供電。

　　上一種情況仍不明朗，也未在不同制造商之間實(shí)現標準化。這種反向能量在某些情況下要求達到幾百瓦，而在其它情況下則要求達到與主降壓轉換器相同的功率水平，有時(shí)只需要有限的時(shí)間，而有時(shí)則只要12V電池能夠繼續工作就沒(méi)有時(shí)間限制。

　　主能量流操作可以高達幾千瓦，因此無(wú)法利用簡(jiǎn)單的轉換器解決方案進(jìn)行管理，對此我們已經(jīng)達成了廣泛共識。

　　市場(chǎng)上確實(shí)存在著(zhù)面向這種大功率轉換模塊的解決方案，并且大約10年前就已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了，盡管環(huán)境和電壓水平不同。

　　在2kW的功率下，電流輸出約為160A，可以利用單相解決方案實(shí)現，如圖1所示，這樣控制器就更簡(jiǎn)單，但是需要許多驅動(dòng)器來(lái)控制并聯(lián)的多個(gè)FET，開(kāi)關(guān)頻率通常較低并且被開(kāi)關(guān)損耗限制在100kHz-200kHz的范圍內，這就意味著(zhù)輸入和輸出電容的尺寸非常大。