適用于輕度混合動(dòng)力汽車的48V汽車系統(tǒng)

作者：安森美半導(dǎo)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師John Grabowski

前言

隨著全球各地對(duì)環(huán)境狀況(特別是空氣質(zhì)量)這一問題的關(guān)注日益提升，汽車的CO2排放量需要通過減少汽車的平均油耗來降低。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一就是采用混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是純內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE)動(dòng)力汽車。

在典型的汽車中，牽引動(dòng)力系統(tǒng)必須能夠在非常寬泛的功率和速度條件范圍內(nèi)運(yùn)行，這通常以“轉(zhuǎn)矩-速度”范圍來表示。混合動(dòng)力系統(tǒng)的采用讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠自由地在不同的轉(zhuǎn)矩-速度范圍內(nèi)，以優(yōu)化每項(xiàng)系統(tǒng)性能的方式，對(duì)多重動(dòng)力源進(jìn)行布置。電動(dòng)力源可提供非常高的轉(zhuǎn)矩，且在加速汽車時(shí)非常有用，但它僅在有限的時(shí)間段內(nèi)可用。所涉及的具體時(shí)間取決于電池大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。借助這種可產(chǎn)生動(dòng)力源的高轉(zhuǎn)矩，ICE尺寸得以顯著縮小。這使其燃油能效也大大提升。然而，添加電動(dòng)力源當(dāng)然并非簡(jiǎn)單的工程問題，需要一種有關(guān)許多汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量的方法。

傳統(tǒng)上，通過添加高壓(〜350V)電池和直接耦合至ICE動(dòng)力系統(tǒng)的高性能電機(jī)，電氣化已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)。這些'全'混合動(dòng)力汽車的定義類別一直是節(jié)能汽車，且從提升能效角度看也頗具吸引力。但是，它們也使汽車的成本和重量大大增加。

最近，48V汽車系統(tǒng)架構(gòu)得到了相當(dāng)多的關(guān)注。這些系統(tǒng)可以說是是向著全混合動(dòng)力汽車前進(jìn)的一步。通常情況下，稱它們?yōu)?ldquo;輕度混合動(dòng)力(Mild Hybrids)”，但當(dāng)在更低的功率級(jí)別下設(shè)計(jì)時(shí)，也可歸類為“微混合動(dòng)力(Micro Hybrids)”。它們采用相對(duì)緊湊的48V電池、高性能電機(jī)、以及至少一個(gè)額外的48V電氣化子系統(tǒng)。48V系統(tǒng)更低的成本使其在許多汽車OEM廠商眼中頗具吸引力，它們很快將成為大多數(shù)汽車制造商產(chǎn)品組合中的一部分。

48V架構(gòu)

48V架構(gòu)的選擇寬泛，且在不斷增加。最基本的系統(tǒng)包括一塊電池、一個(gè)起動(dòng)發(fā)電機(jī)、一個(gè)48V至12V轉(zhuǎn)換器，且通常至少有一個(gè)48V負(fù)載。由于48V汽車仍然保留12V電池和多個(gè)12V負(fù)載，因此目前這些系統(tǒng)可能會(huì)以雙電壓系統(tǒng)的形式存在。

圖1.典型48V輕度混合系統(tǒng)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

憑借這些雙電壓系統(tǒng)，大量的新配置成為可能。由于48V系統(tǒng)基本上能夠提供更高的功率水平，因此它將支持全新更高功率的外設(shè)，如48V E-Turbo和48V E-Roll穩(wěn)定系統(tǒng)。此外，更高的功率可用性將推動(dòng)耗電的12V負(fù)載遷移至48V總線，以充分利用更高的能效。

起初，雙電壓系統(tǒng)的12V系統(tǒng)側(cè)將保持原樣，減去12V交流發(fā)電機(jī)。由于沒有12V電源的發(fā)電源，因此需要有一個(gè)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將48V產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)移到12V側(cè)。盡管轉(zhuǎn)換器需要高能效，但它仍會(huì)對(duì)所有12V負(fù)載施加損耗懲罰，因其需要通過轉(zhuǎn)換器獲取電源。在增加的損耗和功率限制之間產(chǎn)生了強(qiáng)大的誘因，能夠?qū)?2V外設(shè)移至48V運(yùn)行。

這些轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)上為雙向的，在高需求期間可同時(shí)使用兩種電池。雙向轉(zhuǎn)換器能夠?qū)碜匀我浑姵氐碾娫崔D(zhuǎn)換到另一電池，并且可能存在于未來某一段時(shí)間內(nèi)。

除冗余之外，保留12V啟動(dòng)器并沒有技術(shù)上的原因，將其拆移除可能會(huì)成為未來的趨勢(shì)。如果不再需要它，那么12V電池的尺寸能夠顯著減小，甚至可以完全移除。但這將是一個(gè)大膽的舉動(dòng)，需要非常謹(jǐn)慎地對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于48V系統(tǒng)側(cè)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)是主要部件。它負(fù)責(zé)汽車所有電力生成、以及汽車起動(dòng)。它還能在汽車制動(dòng)期間執(zhí)行再生能量回收。在此模式下，機(jī)器作為發(fā)電機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)提供負(fù)轉(zhuǎn)矩，減慢車速并恢復(fù)電池電量。起動(dòng)發(fā)電機(jī)有多種配置和功率級(jí)別，每個(gè)都有著非常具體的實(shí)施目標(biāo)。

混合動(dòng)力領(lǐng)域采用了一個(gè)簡(jiǎn)寫代碼來確定電機(jī)在底盤子系統(tǒng)中的位置。該系統(tǒng)通過使用一組Px指示器來生成標(biāo)簽，指示電機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)耦合的每個(gè)位置。指示器(P0至P4)的數(shù)值在功率插入點(diǎn)穿過車尾時(shí)會(huì)上升。

由于BSG的插入點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的前端附件驅(qū)動(dòng)(FEAD)處，因此BSG的功率級(jí)別是最小的，其中轉(zhuǎn)矩的傳輸必須通過鋼帶連接。由于其通過鋼制齒輪耦合，所以底盤的其余插入點(diǎn)(P2-P4)都具有更高的功率水平。另外，更高功率的機(jī)器具有能夠?yàn)镮CE提供牽引輔助的附加功能。這意味著除了由ICE提供的動(dòng)力之外，電動(dòng)力源還也能夠提升汽車的加速度。在某些配置下，可以想象在ICE關(guān)閉的情況下，汽車單靠電動(dòng)力源即可開動(dòng)。這取決于電機(jī)可用的牽引輔助量及其在底盤子系統(tǒng)中的位置。

48V子系統(tǒng)

雙電壓系統(tǒng)需要增加48V至12V電源轉(zhuǎn)換器。在沒有12V交流發(fā)電機(jī)的情況下需要為12V系統(tǒng)供電，就需要該組件。由于需要雙向行為和高能效，所以需要專門的設(shè)計(jì)方法。這些轉(zhuǎn)換器的典型功率范圍在1kW至3kW范圍內(nèi)，為了在這樣的大功率范圍內(nèi)保持高能效，多級(jí)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是當(dāng)前最流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許電力從較高電壓側(cè)流向較低電壓側(cè)。與之類似地，升壓拓?fù)湓试S反方向的功率流動(dòng)。多級(jí)設(shè)計(jì)允許共享許多單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器子電路，以組合成一個(gè)高功率設(shè)計(jì)。在轉(zhuǎn)換器輸出負(fù)載很重的情況下，所有的子電路都能夠工作。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出輕負(fù)載時(shí)，許多子電路將被關(guān)斷，從而提供更低的損耗和更高的能效。

能想得到的48V負(fù)載有多種多樣，而許多較高的功率負(fù)載無法通過12V系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。其中最高的是電控增壓器。由于增壓器需要在幾分之一秒內(nèi)加速到極高的速度，因此需要相當(dāng)高的瞬態(tài)功率。典型的增壓器驅(qū)動(dòng)包括一個(gè)低慣性三相電動(dòng)機(jī)，由一個(gè)三相逆變器驅(qū)動(dòng)。盡管平均功率相對(duì)較低，但峰值功率可達(dá)8kW以上。如此寬泛的功率范圍配置可完美匹配48V系統(tǒng)。許多其它汽車子系統(tǒng)也非常適合48V架構(gòu)，無論是單相還是三相配置。圖3中列出了可能的48V負(fù)載。

圖3. 輕度混合子系統(tǒng)組件摘要

其它48V系統(tǒng)

48V電池系統(tǒng)由鋰離子電池構(gòu)成，相較于鉛酸電池，它需要更多的注意和處理。鑒于此，48V汽車需要電池管理系統(tǒng)(BMS)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控電池電壓和電池溫度，以便能夠安全地為電池充電。由于48V系統(tǒng)具有再生能力，這種情況也變得更為復(fù)雜。當(dāng)汽車電池的剩余電量足夠低時(shí)，可發(fā)出再生指令，但是對(duì)BMS的控制需要非常謹(jǐn)慎，這對(duì)于防止過充或過熱至關(guān)重要。

48V電路對(duì)熔斷和接觸也有更為復(fù)雜的要求。目前尚不確定，如果用于48V系統(tǒng)，12V刀片式保險(xiǎn)絲能否提供足夠的電弧防護(hù)。而且，由于48V系統(tǒng)所需的繼電器觸點(diǎn)距離將大于12V系統(tǒng)所需的，因此需要重新設(shè)計(jì)保險(xiǎn)絲和繼電器。由于這些組件的要求都可以通過采用半導(dǎo)體器件輕松滿足，所以這些問題很可能通過電子方案來解決。

結(jié)論

將48V系統(tǒng)添加到12V汽車將讓設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)當(dāng)今汽車所需的燃油能效提升。它還將大大增加對(duì)新型創(chuàng)新的電力電子電路的需求，雖然48V架構(gòu)的許多變體將會(huì)出現(xiàn)，但最終的評(píng)判將在汽車客戶權(quán)衡特性優(yōu)勢(shì)與成本之后得出。