總成架構的演變——失敗的42V電池總成與成功的48V電源總線(xiàn)

　　搞要：本文回顧并討論10年前42V汽車(chē)電源總成系統失敗方案。如今，一種48V電源總線(xiàn)正在應用于現代汽車(chē)之中，促使汽車(chē)電子在半導體和系統總成等方面升級。過(guò)去10年都有什么樣的變化呢?為什么48V是邁向高燃油效率、低輻射汽車(chē)的重要步驟?本文將深入透析這一汽車(chē)行業(yè)標志性變更的推動(dòng)力，并且對于即將推出的產(chǎn)品和系統解決方案提出一些見(jiàn)解，以支持更高電壓的電源總線(xiàn)。

　　需要42V的原因

　　10年前，曾傳出一個(gè)讓人震撼的消息：將推出適于載客汽車(chē)的新型電源總線(xiàn)架構。它建議通過(guò)三組12V電池組串聯(lián)得到36V，取代現有的12V電池，使14V電源總線(xiàn)電壓提高到42V。這意味著(zhù)重新建立42V電源及電子總成架構。二十世紀九十年代末，發(fā)展42V架構的源動(dòng)力在于現代汽車(chē)界于未來(lái)的需要的預測，以及對于更大電力驅動(dòng)的要求。兩個(gè)關(guān)鍵因素被認為推動(dòng)了這種功率增長(cháng)需要。

　　第一個(gè)原因就是車(chē)輛內可用的奢侈和舒適系統需求的增長(cháng)。我們不僅要提高強大的娛樂(lè )和信息系統，還有那些需采用更大功率的舒適功能，如電子助力轉向系統、主動(dòng)式懸掛轉向系統、強大的取暖元件，包括適用于寒冬的前窗除霜系統，或者適用于溫度不斷提高的夏季的強大空調系統。而且，我們還不能忽略大型的多種類(lèi)駕駛輔助系統，長(cháng)距或短距雷達;超聲感應或相機系統，這些都計劃用于提高汽車(chē)的主動(dòng)及被動(dòng)的安全性。

　　第二個(gè)重要的提高功率原因，來(lái)自于皮帶傳動(dòng)系統和電機系統被DC-AC電驅系統取代，如泵、風(fēng)扇、空調壓縮機、液壓及助力轉向，實(shí)現獨立于內燃引擎的電機驅動(dòng)系統。“逆變器”及外圍控制系統的明顯優(yōu)勢在于轉速可控。獨立于內燃機的速度，它可最優(yōu)化驅動(dòng)，甚至可以根據需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)。一個(gè)很好、很明顯的示例便是汽車(chē)中眾所周知的制冷水泵。當汽車(chē)高速運行時(shí)，水泵提供了極高的制冷功率，此時(shí)，高速的水流降低引擎溫度。但實(shí)際上，在許多情況下，甚至可能不會(huì )用到水泵。另一方面，塞車(chē)時(shí)，當汽車(chē)處于靜止狀態(tài)，引擎在熱天中空轉時(shí)，水泵的運行非常慢，很難在沒(méi)有空調氣流的狀態(tài)下提供足夠的制冷。此時(shí)正是你希望提高水泵的制冷功率的時(shí)候，內燃機中搭載的逆變驅動(dòng)制冷系統將會(huì )通過(guò)控制水泵的轉速得到所需的制冷量，很容易的解決這一問(wèn)題。

　　類(lèi)似皮帶水泵驅動(dòng)系統，還有大量其它機械驅動(dòng)泵、風(fēng)扇和壓縮機等應用，能通過(guò)采用電驅變速電機取得更高效智能的驅動(dòng)。相應的，汽車(chē)的油耗就可降低而提高排放標準。但遺憾的時(shí)，用電機驅動(dòng)取代多個(gè)機械驅動(dòng)系統也會(huì )極大的提高交流電機所需要提供的電能功率。

　　綜上所述，上面所述提升計劃表示出一輛汽車(chē)的平均功耗將很快上升且超過(guò)傳統交流發(fā)電機3kW限制限度?？磥?lái)，考慮到所有這些功耗，最先進(jìn)的交流發(fā)電機都會(huì )非常接近其極限值，特別是在惡劣的條件下，在考慮到所有的系統都同時(shí)消耗能量時(shí)更是如此。最終OEM和Tier1系統供應商開(kāi)始期望汽車(chē)可以供應更高的電能功率。更高功率也就意味著(zhù)需要更高的電流和電壓。正如從簡(jiǎn)單的歐姆定律中可以獲知的，如果我們把電壓保持在14V而僅提高電流的話(huà)，線(xiàn)纜和開(kāi)關(guān)中的功耗隨殘余電阻Rcable，switch與電流I2成比例增長(cháng)：

　　P_loss=I²● R_{cable, switch,…}

　　所以為了使汽車(chē)的效率更高，同時(shí)增加娛樂(lè )性、安全性和舒適功能并實(shí)現更高調速，與提高電流等級相比，提高變速電機電壓則是實(shí)現增長(cháng)的更好辦法。實(shí)際上，通過(guò)降低更高電壓下的電流要求，甚至還可以降低導通和開(kāi)關(guān)損耗，采用更少的厚銅線(xiàn)纜還意味著(zhù)汽車(chē)的重量更小，所以，總體而言達到了技術(shù)上的雙贏(yíng)效果。因此，那時(shí)所提倡的邏輯概念是將板網(wǎng)電壓從14V提升至42V，而不是在12V的電源總線(xiàn)上運行2-3倍高的電流。

　　商業(yè)上的挑戰

　　可是，單純從技術(shù)工程的角度講，這絕對是非常完美的，但卻遇到了商業(yè)問(wèn)題。用42V的架構取代14V架構就表示汽車(chē)中幾乎所有電子元件和系統都要革命性地改變到目前的標準。從功率半導體和開(kāi)關(guān)到IC，從有源元件到傳感器，甚至燈泡都需要重新設計并調節到更高的電壓水平。那時(shí)的汽車(chē)還100%的依賴(lài)12V/14V元件，而且EMI、噪聲等級、過(guò)壓條件和通過(guò)隔離進(jìn)行的用戶(hù)保護等都依賴(lài)于安全且調制良好的14V架構，電壓峰值都控制在40V最大值以下。

　　然而，OEM和汽車(chē)供應商進(jìn)行了前所未有的協(xié)作努力，新型42V元件、系統和架構解決方案的開(kāi)發(fā)得到啟動(dòng)并且有了長(cháng)足發(fā)展，但大家很快就會(huì )發(fā)現42V的取代不可能是無(wú)成本的。實(shí)際上，可以看到其價(jià)格非常昂貴、耗時(shí)并且需要更多的資源，才以構建和重新認證42V汽車(chē)的架構。終端用戶(hù)會(huì )愿意支付這樣的價(jià)格嗎?

　　很顯然市場(chǎng)和終端客戶(hù)承受42V汽車(chē)上的加價(jià)是很有限的。用42V電壓取代14V電壓，沒(méi)有太多明顯的用戶(hù)價(jià)值。所有的舒適功能都必須以任何一種“附加”或“選項”的形式進(jìn)行支付。但是，最為增加成本的42V系統。無(wú)論是14V還是42V的電子系統，對汽車(chē)用戶(hù)而言看不到任何區別。較大馬力的發(fā)動(dòng)機或更高的動(dòng)力系轉矩都可能會(huì )帶來(lái)駕駛體驗的顯著(zhù)提升，與之不同，整體而言，提升的總成電壓并不能提供任何顯著(zhù)、直接、“能感覺(jué)到”的超級駕駛感受。因此，42V產(chǎn)品沒(méi)有顯而易見(jiàn)的終端用戶(hù)值，可以作為營(yíng)銷(xiāo)點(diǎn)或用作良好的附加值賣(mài)點(diǎn)。這個(gè)問(wèn)題的根本仍然是最初的預期節能的正向“業(yè)務(wù)案例”和42V總成提升效率不能為終端客戶(hù)提高具體投資回報。遺憾的是，42V的概念未能提供一個(gè)極具競爭力的價(jià)值。而現在的混合動(dòng)力解決方案不同，通過(guò)對交流電機再生的總成能量被良好利用，42V油耗僅實(shí)現了很少的、個(gè)位數的提升，因此，僅輕微降低了內燃機的能耗。然而，通過(guò)采用變速電機，有時(shí)單獨的系統看起來(lái)效率更高，現實(shí)應用情況下和實(shí)際駕駛條件下，總的整體的提升比理論上所期望的降低很多。由14V至42V總線(xiàn)架構變更所帶來(lái)的提升未能引發(fā)“大的革命性進(jìn)步。”

　　因此，最終OEM又開(kāi)始放棄42V的理念?？磥?lái)，想要重新認證并將42V汽車(chē)引入市場(chǎng)將非常困難并且價(jià)格高昂，因為市場(chǎng)并不愿意為這些提升的成本買(mǎi)單。當工程師們絞盡腦汁，在實(shí)際上提升交換電機的效率和輸出功率方面再一次超出所設立的限度時(shí)，42V概念最終宣布終結。同時(shí)，像MOSFET這樣的電源管理器件在性能方面也取得了相當大的提升。半導體開(kāi)關(guān)變得更加高效(見(jiàn)圖1和圖2)，特別是隨著(zhù)首款Trench MOSFET的推出，它可以實(shí)現更高的電流應用，可以在可接受的功耗水平、甚至在14V總成下良好運行。