汽車(chē)制造商擁抱48V輕混系統(tǒng)

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

　　Edward Kohler，擁有美國(guó)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品事業(yè)部負(fù)責(zé)人和混合信號(hào)IC設(shè)計(jì)工程師及麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的associate staff member?，F(xiàn)任瑞薩電子旗下子公司Intersil的汽車(chē)電源管理產(chǎn)品戰(zhàn)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(tǒng)的汽車(chē)。本文就48V電源子系統(tǒng)相關(guān)性能及系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)介紹了一款12V/48V電源系統(tǒng)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(tǒng)(亦稱(chēng)board net)的汽車(chē)。首先是歐洲OEM廠商，如奧迪在其SQ7 TDI型號(hào)的車(chē)上裝備了48V系統(tǒng)。該系統(tǒng)為電動(dòng)壓縮機(jī)和機(jī)電式主動(dòng)側(cè)傾穩(wěn)定系統(tǒng)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(xiàn)已在全球展開(kāi)，包括吉利和中國(guó)一汽集團(tuán)在內(nèi)的眾多中國(guó)OEM廠商宣布，將在未來(lái)幾年推出48V輕混汽車(chē)，意大利-美國(guó)OEM廠商菲亞特克萊斯勒也有類(lèi)似計(jì)劃，韓國(guó)OEM廠商現(xiàn)代和雙龍也已展示了48V輕混系統(tǒng)。

法規(guī)推動(dòng)輕混系統(tǒng)的推廣

　　48V子系統(tǒng)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(rèn)可它是實(shí)現(xiàn)更低CO2排放、提升燃油經(jīng)濟(jì)性和增強(qiáng)汽車(chē)駕駛性能的一條途徑。CO2排放和燃油經(jīng)濟(jì)性監(jiān)管要求正在推動(dòng)48V輕混系統(tǒng)的采用。達(dá)不到這些指標(biāo)的OEM會(huì)受到嚴(yán)厲處罰。圖1顯示了全球各地頒布的CO2排放限值。在美國(guó)、歐洲、中國(guó)和韓國(guó)，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(xiàn)行法規(guī)。

　　圖2顯示了燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。為了達(dá)到這些指標(biāo)，汽車(chē)制造商必須在未來(lái)10年內(nèi)使燃油經(jīng)濟(jì)性提升24%~49%。在法規(guī)變得越來(lái)越嚴(yán)格的同時(shí)，全球范圍內(nèi)也在進(jìn)一步加緊提高道路循環(huán)試驗(yàn)對(duì)實(shí)際行車(chē)條件的代表性。隨著試驗(yàn)方法的改進(jìn)，汽車(chē)制造商將會(huì)發(fā)現(xiàn)更難達(dá)到上述法規(guī)要求。

　　鑒于日益嚴(yán)格的法規(guī)和更加嚴(yán)厲的違規(guī)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(jì)性的技術(shù)。所以48V輕混系統(tǒng)迅速得到采用并不令人驚訝，因?yàn)樗軌蛞韵鄬?duì)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(tǒng)詳解

　　如圖3所示，48V系統(tǒng)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(jī)和12~48V DC/DC轉(zhuǎn)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?yàn)殇囯x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(xiàn)高效的再生制動(dòng)系統(tǒng)。48V啟動(dòng)器/發(fā)電機(jī)可取代12V交流發(fā)電機(jī)和12V啟動(dòng)器。它在啟動(dòng)引擎后充當(dāng)發(fā)電機(jī)，將內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。制動(dòng)期間，汽車(chē)的動(dòng)能使發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生大概12~15KW功率，同時(shí)使汽車(chē)減速。根據(jù)啟動(dòng)器/發(fā)電機(jī)集成到動(dòng)力總成系統(tǒng)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(zhuǎn)換器將現(xiàn)有12V板網(wǎng)連接到新的48V板網(wǎng)。12V/48V DC/DC轉(zhuǎn)換器通?？蓮?8V系統(tǒng)向12V板網(wǎng)提供最大3.5KW功率，為現(xiàn)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(tǒng)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(jī)、電機(jī)式側(cè)傾穩(wěn)定、電動(dòng)擋風(fēng)玻璃清潔和各種電動(dòng)機(jī)，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(jì)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(shì)之一是減少CO2排放和提升燃油經(jīng)濟(jì)性。影響因素包括增加48V啟動(dòng)器/發(fā)電機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)12V系統(tǒng)相比，這可顯著改進(jìn)啟停系統(tǒng)。48V啟動(dòng)器可將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間從傳統(tǒng)12V系統(tǒng)的1~2秒縮短到僅僅兩百毫秒。所以，與12V啟停系統(tǒng)需要保持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)才能提供快速加速和立即重啟不同，48V系統(tǒng)允許發(fā)動(dòng)機(jī)在此期間停止運(yùn)轉(zhuǎn)。48V電池的附加容量還允許發(fā)動(dòng)機(jī)停止更長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)仍然保持一些功能，如車(chē)內(nèi)環(huán)境控制和信息娛樂(lè)系統(tǒng)。此外，48V啟動(dòng)器能提供助推或扭矩輔助，從而減小內(nèi)燃機(jī)上的荷載，以提高加速效率。與典型的2KW 交流發(fā)電機(jī)相比，12~15KW啟動(dòng)器/發(fā)電機(jī)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(chǔ)存回收的能量，從而顯著改善再生制動(dòng)的效果。

縮小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸，提升駕駛性能

　　通過(guò)縮小內(nèi)燃機(jī)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(xiàn)了又一項(xiàng)顯著改善而不影響汽車(chē)駕駛性能。標(biāo)準(zhǔn)12V渦輪增壓汽車(chē)也通過(guò)縮小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸來(lái)改善效率，但與機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)的渦輪遲滯和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)無(wú)助力可用，導(dǎo)致駕駛體驗(yàn)令人不甚滿(mǎn)意。采用48V增壓可在發(fā)動(dòng)機(jī)的任何轉(zhuǎn)速下提供幾乎瞬間的助推，消除了對(duì)駕駛性能的負(fù)面影響。在12V系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到48V系統(tǒng)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(tǒng)的電機(jī)遠(yuǎn)輕于使用傳統(tǒng)12V系統(tǒng)的電機(jī)。新48V系統(tǒng)的重量增加有小的負(fù)面影響(在其不取代現(xiàn)有12V系統(tǒng)情況下);但該影響不會(huì)削弱整體性能改進(jìn)。

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

雙向DC/DC控制器助力12V-48V系統(tǒng)

　　12V/48V電源系統(tǒng)需要的唯一附加元件是功率相對(duì)較高(最大3.5KW)的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器(如圖4所示)，以作為48V和12V系統(tǒng)之間的橋梁。以前的DC/DC轉(zhuǎn)換器僅支持單向運(yùn)行 ，且功率只有幾百瓦甚至更小，這是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。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(zhuǎn)換，并可進(jìn)行擴(kuò)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(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)高功率雙向電橋的挑戰(zhàn)而開(kāi)發(fā)。為滿(mǎn)足這個(gè)新要求，一級(jí)汽車(chē)供應(yīng)商起初必須使用原本用于其他應(yīng)用的現(xiàn)有器件來(lái)構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)。方法之一是使用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)可用于驅(qū)動(dòng)多相半橋功率轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)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(shí)，以及隱含的全面和長(zhǎng)期固件支持。另一種方法是將兩個(gè)單向控制器與數(shù)個(gè)多路復(fù)用器和一個(gè)微控制器結(jié)合起來(lái)，以啟動(dòng)合適的路徑。這種方法需要冗余元件，導(dǎo)致最終解決方案大而復(fù)雜。

　　ISL78226是一個(gè)執(zhí)行雙向DC/DC功率轉(zhuǎn)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(shù)量，以適應(yīng)輸出要求的負(fù)載，從而使DC/DC轉(zhuǎn)化效率最大化。單個(gè)ISL78226 IC通?？芍С肿畲?.75KW功率轉(zhuǎn)換，但可將多個(gè)IC結(jié)合起來(lái)管理更多相數(shù)，以支持功率更大的系統(tǒng)。當(dāng)通過(guò)并聯(lián)使用來(lái)進(jìn)行更大的功率轉(zhuǎn)換時(shí)，這些IC可協(xié)調(diào)相對(duì)相電流平衡和錯(cuò)誤響應(yīng)。該控制器可調(diào)節(jié)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(shù)字PWM信號(hào)或模擬基準(zhǔn)源(analog reference)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。在調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，該器件可主動(dòng)平衡每個(gè)功率級(jí)相的平均電流。這有助于補(bǔ)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(diào)節(jié)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(hù)DC/DC轉(zhuǎn)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(yīng)用中進(jìn)行恒流充電。該控制器包括一個(gè)提供系統(tǒng)控制和診斷的PMBus數(shù)字接口，可幫助實(shí)現(xiàn)功能性安全目標(biāo)，并有足夠的故障覆蓋率。另外它還允許系統(tǒng)在條件超出警告閾值時(shí)采取預(yù)防措施，并在發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤或故障時(shí)，可以對(duì)控制器進(jìn)行配置，以允許汽車(chē)以跛行模式行駛。

結(jié)論

　　汽車(chē)OEM廠商非常歡迎48V電源子系統(tǒng)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(jì)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(xiàn)汽車(chē)制造商的所有目標(biāo)，同時(shí)其成本優(yōu)勢(shì)使它比全混技術(shù)更有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)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。