總成架構(gòu)的演變——失敗的42V電池總成與成功的48V電源總線

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

　　需要42V的原因

　　10年前，曾傳出一個讓人震撼的消息：將推出適于載客汽車的新型電源總線架構(gòu)。它建議通過三組12V電池組串聯(lián)得到36V，取代現(xiàn)有的12V電池，使14V電源總線電壓提高到42V。這意味著重新建立42V電源及電子總成架構(gòu)。二十世紀九十年代末，發(fā)展42V架構(gòu)的源動力在于現(xiàn)代汽車界于未來的需要的預測，以及對于更大電力驅(qū)動的要求。兩個關(guān)鍵因素被認為推動了這種功率增長需要。

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

　　第二個重要的提高功率原因，來自于皮帶傳動系統(tǒng)和電機系統(tǒng)被DC-AC電驅(qū)系統(tǒng)取代，如泵、風扇、空調(diào)壓縮機、液壓及助力轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)獨立于內(nèi)燃引擎的電機驅(qū)動系統(tǒng)。“逆變器”及外圍控制系統(tǒng)的明顯優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)速可控。獨立于內(nèi)燃機的速度，它可最優(yōu)化驅(qū)動，甚至可以根據(jù)需要進行開關(guān)。一個很好、很明顯的示例便是汽車中眾所周知的制冷水泵。當汽車高速運行時，水泵提供了極高的制冷功率，此時，高速的水流降低引擎溫度。但實際上，在許多情況下，甚至可能不會用到水泵。另一方面，塞車時，當汽車處于靜止狀態(tài)，引擎在熱天中空轉(zhuǎn)時，水泵的運行非常慢，很難在沒有空調(diào)氣流的狀態(tài)下提供足夠的制冷。此時正是你希望提高水泵的制冷功率的時候，內(nèi)燃機中搭載的逆變驅(qū)動制冷系統(tǒng)將會通過控制水泵的轉(zhuǎn)速得到所需的制冷量，很容易的解決這一問題。

　　類似皮帶水泵驅(qū)動系統(tǒng)，還有大量其它機械驅(qū)動泵、風扇和壓縮機等應用，能通過采用電驅(qū)變速電機取得更高效智能的驅(qū)動。相應的，汽車的油耗就可降低而提高排放標準。但遺憾的時，用電機驅(qū)動取代多個機械驅(qū)動系統(tǒng)也會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的平均功耗將很快上升且超過傳統(tǒng)交流發(fā)電機3kW限制限度?？磥恚紤]到所有這些功耗，最先進的交流發(fā)電機都會非常接近其極限值，特別是在惡劣的條件下，在考慮到所有的系統(tǒng)都同時消耗能量時更是如此。最終OEM和Tier1系統(tǒng)供應商開始期望汽車可以供應更高的電能功率。更高功率也就意味著需要更高的電流和電壓。正如從簡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，線纜和開關(guān)中的功耗隨殘余電阻Rcable，switch與電流I2成比例增長：

　　P_loss=I²● R_{cable, switch,…}

　　所以為了使汽車的效率更高，同時增加娛樂性、安全性和舒適功能并實現(xiàn)更高調(diào)速，與提高電流等級相比，提高變速電機電壓則是實現(xiàn)增長的更好辦法。實際上，通過降低更高電壓下的電流要求，甚至還可以降低導通和開關(guān)損耗，采用更少的厚銅線纜還意味著汽車的重量更小，所以，總體而言達到了技術(shù)上的雙贏效果。因此，那時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的電源總線上運行2-3倍高的電流。

　　商業(yè)上的挑戰(zhàn)

　　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)問題。用42V的架構(gòu)取代14V架構(gòu)就表示汽車中幾乎所有電子元件和系統(tǒng)都要革命性地改變到目前的標準。從功率半導體和開關(guān)到IC，從有源元件到傳感器，甚至燈泡都需要重新設(shè)計并調(diào)節(jié)到更高的電壓水平。那時的汽車還100%的依賴12V/14V元件，而且EMI、噪聲等級、過壓條件和通過隔離進行的用戶保護等都依賴于安全且調(diào)制良好的14V架構(gòu)，電壓峰值都控制在40V最大值以下。

　　然而，OEM和汽車供應商進行了前所未有的協(xié)作努力，新型42V元件、系統(tǒng)和架構(gòu)解決方案的開發(fā)得到啟動并且有了長足發(fā)展，但大家很快就會發(fā)現(xiàn)42V的取代不可能是無成本的。實際上，可以看到其價格非常昂貴、耗時并且需要更多的資源，才以構(gòu)建和重新認證42V汽車的架構(gòu)。終端用戶會愿意支付這樣的價格嗎?

　　很顯然市場和終端客戶承受42V汽車上的加價是很有限的。用42V電壓取代14V電壓，沒有太多明顯的用戶價值。所有的舒適功能都必須以任何一種“附加”或“選項”的形式進行支付。但是，最為增加成本的42V系統(tǒng)。無論是14V還是42V的電子系統(tǒng)，對汽車用戶而言看不到任何區(qū)別。較大馬力的發(fā)動機或更高的動力系轉(zhuǎn)矩都可能會帶來駕駛體驗的顯著提升，與之不同，整體而言，提升的總成電壓并不能提供任何顯著、直接、“能感覺到”的超級駕駛感受。因此，42V產(chǎn)品沒有顯而易見的終端用戶值，可以作為營銷點或用作良好的附加值賣點。這個問題的根本仍然是最初的預期節(jié)能的正向“業(yè)務案例”和42V總成提升效率不能為終端客戶提高具體投資回報。遺憾的是，42V的概念未能提供一個極具競爭力的價值。而現(xiàn)在的混合動力解決方案不同，通過對交流電機再生的總成能量被良好利用，42V油耗僅實現(xiàn)了很少的、個位數(shù)的提升，因此，僅輕微降低了內(nèi)燃機的能耗。然而，通過采用變速電機，有時單獨的系統(tǒng)看起來效率更高，現(xiàn)實應用情況下和實際駕駛條件下，總的整體的提升比理論上所期望的降低很多。由14V至42V總線架構(gòu)變更所帶來的提升未能引發(fā)“大的革命性進步。”

　　因此，最終OEM又開始放棄42V的理念。看來，想要重新認證并將42V汽車引入市場將非常困難并且價格高昂，因為市場并不愿意為這些提升的成本買單。當工程師們絞盡腦汁，在實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(shè)立的限度時，42V概念最終宣布終結(jié)。同時，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。半導體開關(guān)變得更加高效(見圖1和圖2)，特別是隨著首款Trench MOSFET的推出，它可以實現(xiàn)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。