汽車制造商擁抱48V輕混系統(tǒng)

作者/ Ed Kohler 瑞薩電子旗下公司Intersil汽車電源管理產(chǎn)品戰(zhàn)略營銷經(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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品事業(yè)部負(fù)責(zé)人和混合信號IC設(shè)計工程師及麻省理工學(xué)院林肯實驗室的associate staff member。現(xiàn)任瑞薩電子旗下子公司Intersil的汽車電源管理產(chǎn)品戰(zhàn)略營銷經(jīng)理。

摘要：全球的汽車制造商已經(jīng)開始推出采用新48V電源子系統(tǒng)的汽車。本文就48V電源子系統(tǒng)相關(guān)性能及系統(tǒng)優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時介紹了一款12V/48V電源系統(tǒng)及雙向DC/DC同步PWM控制器ISL78226。

引言

　　全球的汽車制造商都開始推出采用新48V電源子系統(tǒng)(亦稱board net)的汽車。首先是歐洲OEM廠商，如奧迪在其SQ7 TDI型號的車上裝備了48V系統(tǒng)。該系統(tǒng)為電動壓縮機(jī)和機(jī)電式主動側(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，包括吉利和中國一汽集團(tuán)在內(nèi)的眾多中國OEM廠商宣布，將在未來幾年推出48V輕混汽車，意大利-美國OEM廠商菲亞特克萊斯勒也有類似計劃，韓國OEM廠商現(xiàn)代和雙龍也已展示了48V輕混系統(tǒng)。

法規(guī)推動輕混系統(tǒng)的推廣

　　48V子系統(tǒng)確實會增加汽車成本，但其得到廣泛接受的事實表明，汽車制造商認(rèn)可它是實現(xiàn)更低CO2排放、提升燃油經(jīng)濟(jì)性和增強(qiáng)汽車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48V輕混系統(tǒng)的采用。達(dá)不到這些指標(biāo)的OEM會受到嚴(yán)厲處罰。圖1顯示了全球各地頒布的CO2排放限值。在美國、歐洲、中國和韓國，汽車制造商需要在未來十年使其汽車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)，汽車制造商必須在未來10年內(nèi)使燃油經(jīng)濟(jì)性提升24%~49%。在法規(guī)變得越來越嚴(yán)格的同時，全球范圍內(nèi)也在進(jìn)一步加緊提高道路循環(huán)試驗對實際行車條件的代表性。隨著試驗方法的改進(jìn)，汽車制造商將會發(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，汽車制造商都在積極開發(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，因為它能夠以相對較低的增量成本使小型車的排放減少10%~15%，大型車減少15%~20%。

48V系統(tǒng)詳解

　　如圖3所示，48V系統(tǒng)通常由幾個核心部件組成，包括48V電池、48V啟動器/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，可幫助實現(xiàn)高效的再生制動系統(tǒng)。48V啟動器/發(fā)電機(jī)可取代12V交流發(fā)電機(jī)和12V啟動器。它在啟動引擎后充當(dāng)發(fā)電機(jī)，將內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能。制動期間，汽車的動能使發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生大概12~15KW功率，同時使汽車減速。根據(jù)啟動器/發(fā)電機(jī)集成到動力總成系統(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)有汽車電子供電。在有些情況下，12V板網(wǎng)也必須通過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)除了這三個共有部件外還可添加其他部件，如電動壓縮機(jī)、電機(jī)式側(cè)傾穩(wěn)定、電動擋風(fēng)玻璃清潔和各種電動機(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(jì)性。影響因素包括增加48V啟動器/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啟動器可將發(fā)動機(jī)啟動時間從傳統(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)動機(jī)運轉(zhuǎn)才能提供快速加速和立即重啟不同，48V系統(tǒng)允許發(fā)動機(jī)在此期間停止運轉(zhuǎn)。48V電池的附加容量還允許發(fā)動機(jī)停止更長的時間，同時仍然保持一些功能，如車內(nèi)環(huán)境控制和信息娛樂系統(tǒng)。此外，48V啟動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啟動器/發(fā)電機(jī)能夠在汽車制動時捕獲更多動能，且鋰離子電池能夠更好地快速儲存回收的能量，從而顯著改善再生制動的效果。

縮小發(fā)動機(jī)尺寸，提升駕駛性能

　　通過縮小內(nèi)燃機(jī)尺寸和添加48V增壓器來提供額外功率提升，以獲得更出色的加速性能，汽車制造商實現(xiàn)了又一項顯著改善而不影響汽車駕駛性能。標(biāo)準(zhǔn)12V渦輪增壓汽車也通過縮小發(fā)動機(jī)尺寸來改善效率，但與機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)有關(guān)的渦輪遲滯和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低時無助力可用，導(dǎo)致駕駛體驗令人不甚滿意。采用48V增壓可在發(fā)動機(jī)的任何轉(zhuǎn)速下提供幾乎瞬間的助推，消除了對駕駛性能的負(fù)面影響。在12V系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到48V系統(tǒng)時，重量減輕還有其他好處。典型情況下，供電線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，汽車制造商還相信消費者將會重視其對駕駛性能的改善。奧迪已證明使用48V電動壓縮機(jī)能夠提升離線加速度。電動壓縮機(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)動機(jī)轉(zhuǎn)速時亦能如此。與傳統(tǒng)12V啟動器相比，使用48V啟動器/發(fā)電機(jī)時，發(fā)動機(jī)啟動時間更短，振動更小。使用48V的啟停系統(tǒng)也改變了人們對于這些系統(tǒng)煩人且不允許駕駛員做出必要的瞬間決定(如駛?cè)敫咚佘嚵?的認(rèn)識。

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)換器僅支持單向運行 ，且功率只有幾百瓦甚至更小，這是一個主要挑戰(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，專為解決在12V與48V電源系統(tǒng)之間實現(xiàn)高功率雙向電橋的挑戰(zhàn)而開發(fā)。為滿足這個新要求，一級汽車供應(yīng)商起初必須使用原本用于其他應(yīng)用的現(xiàn)有器件來構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)。方法之一是使用DSP來實現(xiàn)可用于驅(qū)動多相半橋功率轉(zhuǎn)換級的數(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，以及隱含的全面和長期固件支持。另一種方法是將兩個單向控制器與數(shù)個多路復(fù)用器和一個微控制器結(jié)合起來，以啟動合適的路徑。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。它最多可控制6個相，并自動改變活躍相的數(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ISL78226 IC通?？芍С肿畲?.75KW功率轉(zhuǎn)換，但可將多個IC結(jié)合起來管理更多相數(shù)，以支持功率更大的系統(tǒng)。當(dāng)通過并聯(lián)使用來進(jìn)行更大的功率轉(zhuǎn)換時，這些IC可協(xié)調(diào)相對相電流平衡和錯誤響應(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)，并包括一個簡單的跟蹤接口，有助于通過數(shù)字PWM信號或模擬基準(zhǔn)源(analog reference)來調(diào)節(jié)輸出電壓。在調(diào)節(jié)輸出電壓時，該器件可主動平衡每個功率級相的平均電流。這有助于補(bǔ)償損耗和防止在某個相形成熱點，例如在電感器等元件失配時。

　　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)換器以及汽車的整個電網(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。該控制器包括一個提供系統(tǒng)控制和診斷的PMBus數(shù)字接口，可幫助實現(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采取預(yù)防措施，并在發(fā)生嚴(yán)重錯誤或故障時，可以對控制器進(jìn)行配置，以允許汽車以跛行模式行駛。

結(jié)論

　　汽車OEM廠商非常歡迎48V電源子系統(tǒng)并將其用于新車研發(fā)。有幾家汽車制造商已宣布將會推出48V輕混汽車。增加一條電源總線的推動力是通過輕混技術(shù)提升燃油經(jīng)濟(jì)性和減少CO2排放，同時提升汽車的駕駛性能。48V板網(wǎng)可實現(xiàn)汽車制造商的所有目標(biāo)，同時其成本優(yōu)勢使它比全混技術(shù)更有可能實現(xiàn)大規(guī)模采用。

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