汽車(chē)制造商擁抱48V輕混系統

作者/ Ed Kohler 瑞薩電子旗下公司Intersil汽車(chē)電源管理產(chǎn)品戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

　　Edward Kohler，擁有美國密歇根大學(xué)的電子工程碩士學(xué)位(MSEE)和耶魯大學(xué)工商管理碩士學(xué)位(MBA)，曾任Kenet, Inc.標準產(chǎn)品事業(yè)部負責人和混合信號IC設計工程師及麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗室的associate staff member?，F任瑞薩電子旗下子公司Intersil的汽車(chē)電源管理產(chǎn)品戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。

摘要：全球的汽車(chē)制造商已經(jīng)開(kāi)始推出采用新48V電源子系統的汽車(chē)。本文就48V電源子系統相關(guān)性能及系統優(yōu)勢進(jìn)行了詳細介紹，同時(shí)介紹了一款12V/48V電源系統及雙向DC/DC同步PWM控制器ISL78226。

引言

　　全球的汽車(chē)制造商都開(kāi)始推出采用新48V電源子系統(亦稱(chēng)board net)的汽車(chē)。首先是歐洲OEM廠(chǎng)商，如奧迪在其SQ7 TDI型號的車(chē)上裝備了48V系統。該系統為電動(dòng)壓縮機和機電式主動(dòng)側傾穩定系統供電，其中，前者可消除渦輪遲滯，后者可改善駕乘和操作性能。48V的推廣現已在全球展開(kāi)，包括吉利和中國一汽集團在內的眾多中國OEM廠(chǎng)商宣布，將在未來(lái)幾年推出48V輕混汽車(chē)，意大利-美國OEM廠(chǎng)商菲亞特克萊斯勒也有類(lèi)似計劃，韓國OEM廠(chǎng)商現代和雙龍也已展示了48V輕混系統。

法規推動(dòng)輕混系統的推廣

　　48V子系統確實(shí)會(huì )增加汽車(chē)成本，但其得到廣泛接受的事實(shí)表明，汽車(chē)制造商認可它是實(shí)現更低CO2排放、提升燃油經(jīng)濟性和增強汽車(chē)駕駛性能的一條途徑。CO2排放和燃油經(jīng)濟性監管要求正在推動(dòng)48V輕混系統的采用。達不到這些指標的OEM會(huì )受到嚴厲處罰。圖1顯示了全球各地頒布的CO2排放限值。在美國、歐洲、中國和韓國，汽車(chē)制造商需要在未來(lái)十年使其汽車(chē)CO2排放減少22%~36%，以符合現行法規。

　　圖2顯示了燃油經(jīng)濟性指標。為了達到這些指標，汽車(chē)制造商必須在未來(lái)10年內使燃油經(jīng)濟性提升24%~49%。在法規變得越來(lái)越嚴格的同時(shí)，全球范圍內也在進(jìn)一步加緊提高道路循環(huán)試驗對實(shí)際行車(chē)條件的代表性。隨著(zhù)試驗方法的改進(jìn)，汽車(chē)制造商將會(huì )發(fā)現更難達到上述法規要求。

　　鑒于日益嚴格的法規和更加嚴厲的違規處罰，汽車(chē)制造商都在積極開(kāi)發(fā)有助于減少CO2排放和改善燃油經(jīng)濟性的技術(shù)。所以48V輕混系統迅速得到采用并不令人驚訝，因為它能夠以相對較低的增量成本使小型車(chē)的排放減少10%~15%，大型車(chē)減少15%~20%。

48V系統詳解

　　如圖3所示，48V系統通常由幾個(gè)核心部件組成，包括48V電池、48V啟動(dòng)器/發(fā)電機和12~48V DC/DC轉換器。一般選用48V鋰離子電池為該板網(wǎng)(board net)提供蓄能，這是因為鋰離子電池具有高蓄能-重量比(能量密度)和快速充電能力，可幫助實(shí)現高效的再生制動(dòng)系統。48V啟動(dòng)器/發(fā)電機可取代12V交流發(fā)電機和12V啟動(dòng)器。它在啟動(dòng)引擎后充當發(fā)電機，將內燃機的轉動(dòng)能轉化為電能。制動(dòng)期間，汽車(chē)的動(dòng)能使發(fā)電機運轉，并產(chǎn)生大概12~15KW功率，同時(shí)使汽車(chē)減速。根據啟動(dòng)器/發(fā)電機集成到動(dòng)力總成系統的方式的不同，它也可能在加速期間提供助推或扭矩輔助。 最后，使用12V/48V雙向DC/DC轉換器將現有12V板網(wǎng)連接到新的48V板網(wǎng)。12V/48V DC/DC轉換器通?？蓮?8V系統向12V板網(wǎng)提供最大3.5KW功率，為現有汽車(chē)電子供電。在有些情況下，12V板網(wǎng)也必須通過(guò)12V/48V DC/DC為48V電子部件供電，因而需要雙向電能輸送。48V子系統除了這三個(gè)共有部件外還可添加其他部件，如電動(dòng)壓縮機、電機式側傾穩定、電動(dòng)擋風(fēng)玻璃清潔和各種電動(dòng)機，以支持水泵和冷卻風(fēng)扇等功能。

減少CO2排放，提升燃油經(jīng)濟性

　　如上所述，汽車(chē)制造商增加48V板網(wǎng)可獲得的主要優(yōu)勢之一是減少CO2排放和提升燃油經(jīng)濟性。影響因素包括增加48V啟動(dòng)器/發(fā)電機，與標準12V系統相比，這可顯著(zhù)改進(jìn)啟停系統。48V啟動(dòng)器可將發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)間從傳統12V系統的1~2秒縮短到僅僅兩百毫秒。所以，與12V啟停系統需要保持發(fā)動(dòng)機運轉才能提供快速加速和立即重啟不同，48V系統允許發(fā)動(dòng)機在此期間停止運轉。48V電池的附加容量還允許發(fā)動(dòng)機停止更長(cháng)的時(shí)間，同時(shí)仍然保持一些功能，如車(chē)內環(huán)境控制和信息娛樂(lè )系統。此外，48V啟動(dòng)器能提供助推或扭矩輔助，從而減小內燃機上的荷載，以提高加速效率。與典型的2KW 交流發(fā)電機相比，12~15KW啟動(dòng)器/發(fā)電機能夠在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)捕獲更多動(dòng)能，且鋰離子電池能夠更好地快速儲存回收的能量，從而顯著(zhù)改善再生制動(dòng)的效果。

縮小發(fā)動(dòng)機尺寸，提升駕駛性能

　　通過(guò)縮小內燃機尺寸和添加48V增壓器來(lái)提供額外功率提升，以獲得更出色的加速性能，汽車(chē)制造商實(shí)現了又一項顯著(zhù)改善而不影響汽車(chē)駕駛性能。標準12V渦輪增壓汽車(chē)也通過(guò)縮小發(fā)動(dòng)機尺寸來(lái)改善效率，但與機械驅動(dòng)系統有關(guān)的渦輪遲滯和發(fā)動(dòng)機轉速低時(shí)無(wú)助力可用，導致駕駛體驗令人不甚滿(mǎn)意。采用48V增壓可在發(fā)動(dòng)機的任何轉速下提供幾乎瞬間的助推，消除了對駕駛性能的負面影響。在12V系統轉換到48V系統時(shí)，重量減輕還有其他好處。典型情況下，供電線(xiàn)束可將提供相同電能所需的電流減小4倍，且使用48V系統的電機遠輕于使用傳統12V系統的電機。新48V系統的重量增加有小的負面影響(在其不取代現有12V系統情況下);但該影響不會(huì )削弱整體性能改進(jìn)。

　　48V系統不僅可以減少CO2排放和提升燃油經(jīng)濟性，汽車(chē)制造商還相信消費者將會(huì )重視其對駕駛性能的改善。奧迪已證明使用48V電動(dòng)壓縮機能夠提升離線(xiàn)加速度。電動(dòng)壓縮機轉速可在250毫秒內增至每分鐘70000轉，幾乎在瞬間提供扭矩-助力，甚至在低發(fā)動(dòng)機轉速時(shí)亦能如此。與傳統12V啟動(dòng)器相比，使用48V啟動(dòng)器/發(fā)電機時(shí)，發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)間更短，振動(dòng)更小。使用48V的啟停系統也改變了人們對于這些系統煩人且不允許駕駛員做出必要的瞬間決定(如駛入高速車(chē)流)的認識。

雙向DC/DC控制器助力12V-48V系統

　　12V/48V電源系統需要的唯一附加元件是功率相對較高(最大3.5KW)的雙向DC/DC轉換器(如圖4所示)，以作為48V和12V系統之間的橋梁。以前的DC/DC轉換器僅支持單向運行 ，且功率只有幾百瓦甚至更小，這是一個(gè)主要挑戰。好在，Intersil的新型控制器可提供12V和48V板網(wǎng)間的雙向DC/DC轉換，并可進(jìn)行擴展，以提供從不足1KW到3.5KW以上的功率。

　　ISL78226是一款6相12V/48V雙向同步PWM控制器，專(zhuān)為解決在12V與48V電源系統之間實(shí)現高功率雙向電橋的挑戰而開(kāi)發(fā)。為滿(mǎn)足這個(gè)新要求，一級汽車(chē)供應商起初必須使用原本用于其他應用的現有器件來(lái)構建相應的系統。方法之一是使用DSP來(lái)實(shí)現可用于驅動(dòng)多相半橋功率轉換級的數字電源算法。這種方法雖然靈活，但需要深厚的控制理論知識，以及隱含的全面和長(cháng)期固件支持。另一種方法是將兩個(gè)單向控制器與數個(gè)多路復用器和一個(gè)微控制器結合起來(lái)，以啟動(dòng)合適的路徑。這種方法需要冗余元件，導致最終解決方案大而復雜。

　　ISL78226是一個(gè)執行雙向DC/DC功率轉換的單一模擬控制器，避免了以上替代方法的缺點(diǎn)。它最多可控制6個(gè)相，并自動(dòng)改變活躍相的數量，以適應輸出要求的負載，從而使DC/DC轉化效率最大化。單個(gè)ISL78226 IC通?？芍С肿畲?.75KW功率轉換，但可將多個(gè)IC結合起來(lái)管理更多相數，以支持功率更大的系統。當通過(guò)并聯(lián)使用來(lái)進(jìn)行更大的功率轉換時(shí)，這些IC可協(xié)調相對相電流平衡和錯誤響應。該控制器可調節輸出電壓(降壓模式下12V或升壓模式下48V)，并包括一個(gè)簡(jiǎn)單的跟蹤接口，有助于通過(guò)數字PWM信號或模擬基準源(analog reference)來(lái)調節輸出電壓。在調節輸出電壓時(shí)，該器件可主動(dòng)平衡每個(gè)功率級相的平均電流。這有助于補償損耗和防止在某個(gè)相形成熱點(diǎn)，例如在電感器等元件失配時(shí)。

　　另外，ISL78226還可以調節最大平均電流，以限制在任一方向上的電能輸送量。這可保護DC/DC轉換器以及汽車(chē)的整個(gè)電網(wǎng)。它還允許在12V電池或48V電池直接連接到輸出的應用中進(jìn)行恒流充電。該控制器包括一個(gè)提供系統控制和診斷的PMBus數字接口，可幫助實(shí)現功能性安全目標，并有足夠的故障覆蓋率。另外它還允許系統在條件超出警告閾值時(shí)采取預防措施，并在發(fā)生嚴重錯誤或故障時(shí)，可以對控制器進(jìn)行配置，以允許汽車(chē)以跛行模式行駛。

結論

　　汽車(chē)OEM廠(chǎng)商非常歡迎48V電源子系統并將其用于新車(chē)研發(fā)。有幾家汽車(chē)制造商已宣布將會(huì )推出48V輕混汽車(chē)。增加一條電源總線(xiàn)的推動(dòng)力是通過(guò)輕混技術(shù)提升燃油經(jīng)濟性和減少CO2排放，同時(shí)提升汽車(chē)的駕駛性能。48V板網(wǎng)可實(shí)現汽車(chē)制造商的所有目標，同時(shí)其成本優(yōu)勢使它比全混技術(shù)更有可能實(shí)現大規模采用。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第27頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。