汽车48V混动系统的发展驶入快车道

贸泽电子设计圈 2020-01-15 08:30


差不多五年前,美国政府就规定汽车制造商生产的新车和卡车平均油耗要达到54.5mpg(23.17公里/升),几乎是平均燃油经济性的两倍。随着电动车与混合动力技术进入快速发展通道,基于48V电源的所谓"微混动力"和"轻混动力"系统的发展也驶入了快车道,原来曾长期使用的12V汽车电气系统即将结束自己的历史使命。

48V技术为汽车制造商和驾驶员提供了诸多优势。它不仅可以减少环境污染,还能提高发动机性能,最重要的是,能够提高燃油效率。

随着新技术的出现,汽车中的电力负荷正呈指数级增长。远程信息处理、辅助电加热系统、复杂传动系统管理、防抱死制动系统(ABS)、电子稳定系统(ESP)等技术,以及其他数十种高能耗技术,都让汽车设计更加复杂。虽然现在的交流发电机提供的功率水平可以满足现代汽车的需求,但需要强大的降压-升压转换器作为48V系统的核心部件。

1955年,汽车制造商推出了12V充电系统,取代了基于6V技术的旧系统。从1955年到二十世纪80年代,虽然一些高效交流发电机的输出功率最高可以达到0.7kW,但标准交流发电机的输出功率通常低于0.5kW。今天的汽车需要3.5kW的交流发电机输出,是原来最高输出功率的7倍多。

14V交流发电机产生250A的电流,导致最大效率仅为70%。因此,发动机必须额外提供5kW的功率。为了弥补这一点,需要较大的导体横截面来提供更大的电流,从而增加了车辆的成本和重量。而重量的增加降低了燃油效率,也提高了二氧化碳排放量。




48V系统

进入48V时代后,48V技术实现了一些在12V系统中不现实的功能,包括支持微混和轻混动力系统。这些可同时降低二氧化碳排放量和总体油耗的功能包括:


  • 功率超过5kW时的高性能能量回收
  • 扩展的启停功能,如航行或滑行
  • 涡轮增压器和电动助力转向系统等装置的电气化

48V系统不只是现有12V架构的简单扩展,它使用同时控制12V和48V电压级别的双向降压-升压转换器,让系统能够处理更高的负载(图1)。可以把下图视为油电混动汽车的2.5版。


图1:12V/48V组合式板载电源的架构(资料来源:TDK)

在这个2.5版本中,12V电源使用标准铅基电池,48V电源使用锂离子电池。发电机设置在48V级别,有助于实现更高和更高效的输出级别。新的实践经验规定将双层电容器并联以提高储电能力。




降压-升压转换器

如上所述,12V/48V组合系统的核心部件是降压-升压转换器,它控制两个电压级别之间的双向能量流(图2)。大多数降压-升压转换器设计用于2kW到5kW之间的输出功率。



图2:12V/48V组合系统的降压-升压转换器电路图(资料来源:TDK)

降压-升压转换器在普通模式下作为降压转换器工作,因此在48V系统上产生的功率被正确输出到12V系统。如果需要得到48V级别的输出,将使用升压模式。通常使用6相或8相的串联系统将电压和纹波电流保持在最小值。

为了使降压-升压转换器在恶劣的汽车环境中正常工作,设计师必须使用高质量、可靠的开关晶体管、功率电感和存储电容。例如,对于转换器中的存储和平滑扼流圈,如果设计中需要功率电感,则应使用SMD陶瓷功率电感。除了用于绕组的两个焊盘外,电源扼流圈还应具有第三个焊盘,以增加PCB上组件的机械稳定性。如果不可能使用SMD电感,也可以使用带PTH终端的电感。所有组件的工作温度应设计在-40°C至150°C之间。




抗振电容器

对于降压-升压转换器中的存储和平滑扼流圈,除电感外,还有其他关键元件,即稳健的铝电解电容器,这些电容器也应在最高150°C的温度下工作。


这些电容器应符合汽车电子产品的严格要求,其中铝电解电容器的特点是其高达60g的振动强度和焊接星设计。有些电容器两端都有阴极板触点,可以实现低ESL值的优化安装。

指定的电容器还应具有低等效串联电阻(ESR)值,从而提高纹波电流能力并降低损耗。电容器的电容范围从360µF到4500µF,额定电压应为25V、40V(对于12V系统)和63V(对于48V系统)。有了这些电压,它们就能够用于同时支持两种电压水平的新板载电源系统。



电动涡轮增压器

48V技术提供更多的优点,让电动涡轮增压器能够更高效地驱动发动机(图3)。直到最近,传统涡轮增压器都是由发动机排出的废气驱动,这意味着随着发动机转速的提高,它们的性能会更好。传统涡轮增压器的一个缺点是从踩下油门到车子启动的时间稍有延迟。这种延迟被称为涡轮延迟。


48V系统通过使用电动充电器消除了这一缺陷,使得涡轮增压器能够立即做出响应,在较低的速度下也能工作,无论在城市道路还是高速公路上,都能提高整体效率。

图3:电动涡轮增压器提高了发动机效率(资料来源:TDK)


事实上,将传统涡轮增压器与电动涡轮增压器相结合,可以进一步提高充电压力,在发动机转速较高时关闭电动充电器,从而节省动力并提高整体效率。

48V技术不仅提高了发动机的性能和效率,而且对那些想要降低油耗的驾驶员也很有吸引力。它可以帮助打造真正装备精良的汽车,在48V下以0mph到60mph或0kmph到96.56kmph的速度行驶。了解了这项技术提供的所有好处,就不难理解48V电气系统为何发展得如此之快。


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