怎么看待汽車電子車載48V技術(shù)方案

車載48V技術(shù)具有一些獨(dú)到的優(yōu)勢：有助于降低整體油耗，減少環(huán)境危害，甚至能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。該技術(shù)的核心元件是一個(gè)強(qiáng)大的降壓式 （buck-boost） 轉(zhuǎn)換器，而TDK集團(tuán)為該轉(zhuǎn)換器提供關(guān)鍵的無源元件： 功率電感器和鋁電解電容器。

隨著復(fù)雜的動(dòng)力傳動(dòng)管理系統(tǒng)、輔助電子加熱等舒適系統(tǒng)，ABS（防抱死剎車系統(tǒng)）、ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）等安全系統(tǒng)，以及諸多其它系統(tǒng)的日益增加，車輛的電氣負(fù)載不斷增加，逐漸成為耗能大戶。與此同時(shí)推動(dòng)了交流發(fā)電機(jī)功率水平的穩(wěn)步提升。在19世紀(jì)80年代初，即使豪華車輛其交流發(fā)電機(jī)也僅輸出約0.7 kW的功率。然而，目前車輛所需的功率輸出已經(jīng)達(dá)到3.5kW，幾乎為原來的7倍。隨之出現(xiàn)的問題是，如果14V交流發(fā)電機(jī)輸出這么大的功率，則意味著發(fā)電機(jī)輸出電流將高達(dá)250A。在此電壓/電流比下，發(fā)電機(jī)的效率僅為70%。這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸入功率達(dá)到5kW。另外大電流的缺點(diǎn)在于它要求導(dǎo)體的截面積必須很大，這導(dǎo)致車輛重量和整體成本的顯著增加。

隨著人們對(duì)降低油耗和CO2排放量的要求日益提升，市場亟需找到針對(duì)性的解決方案。48V技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并帶來諸多優(yōu)勢，因?yàn)樗贡姸鄡H通過12V系統(tǒng)無法解決的節(jié)能措施得以實(shí)現(xiàn)。其功能特性包括：

功率大于5kW時(shí)，能量回收效率很高

擴(kuò)張的啟停功能，如緩慢啟動(dòng)或平滑停止

電氣化單元，如渦輪增壓器和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

48V系統(tǒng)并不是完全替代現(xiàn)有的12V架構(gòu)。相反，這種方法不禁讓我們能對(duì)12V系統(tǒng)進(jìn)行拓展，以處理功率更高的負(fù)載，同時(shí)還能通過升降式轉(zhuǎn)換器裝置將48V系統(tǒng)耦合到這些系統(tǒng)中間。圖1解釋了這種架構(gòu)的原理。常規(guī)的鉛酸或鉛酸膠體蓄電池用于12V等級(jí)，而鋰離子電池則用于48V等級(jí)。雙層電容器還可并聯(lián)在此處，以在恢復(fù)過程中改善電能的存儲(chǔ)狀況。

圖1：集成式12/48V板載電源的架構(gòu)原理

主要改進(jìn)在于將發(fā)電機(jī)的電平設(shè)置為48V等級(jí)，以實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出和能效等級(jí)。兩種電壓等級(jí)通過一個(gè)雙向降壓式轉(zhuǎn)換器裝置進(jìn)行連接。

在集成的12/48V系統(tǒng)中，最重要的元件是升降式轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器允許能量在兩種不同的電壓等級(jí)之間雙向流動(dòng)，并且能提供2～5kW的功率輸出。圖2顯示了這種轉(zhuǎn)換器的電路原理圖。在正常模式下，該轉(zhuǎn)換器作為降壓轉(zhuǎn)換器，將48V系統(tǒng)產(chǎn)生的功率輸出到12V系統(tǒng)中。在此工作模式下，T2一直處于阻斷狀態(tài)，而T1則作為開關(guān)工作。如果需要輸出48V等級(jí)電壓，則必須采用升壓模式。在這種情況下，T1一直處于接通狀態(tài)，而T2則工作在脈沖模式下。為最大限度降低紋波電流和電壓，實(shí)際運(yùn)用中需要將6個(gè)或8個(gè)模塊進(jìn)行并聯(lián)。

圖2：降壓式轉(zhuǎn)換器電路圖

除開關(guān)晶體管外，愛普科斯 （EPCOS） 功率電感器和儲(chǔ)能電容器也是升降式轉(zhuǎn)換器的核心元件。

TDK集團(tuán)研發(fā)出兩種新的愛普科斯 （EPCOS） 功率電感器系列，作為轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)能和平滑扼流圈。例如，表面貼裝 （SMD） 型ERU 27系列電感器具有高通流能力，且封裝緊湊，面積僅為30mm&TImes;27.8mm（圖3左側(cè)）。其插入高度為15.5mm或20.3mm，具體高度取決于電感值。這種緊湊型設(shè)計(jì)采用了具有高填充系數(shù)的扁平繞組予以實(shí)現(xiàn)。電感器具有六種不同型號(hào)，電感范圍涵蓋3.5µH到與15µH的范圍，飽和電流介入19 A與49 A之間。為了提高元件在PCB上的機(jī)械穩(wěn)定性，除兩個(gè)繞組焊盤外，該產(chǎn)品還增加了第三個(gè)焊盤。

除了此SMD產(chǎn)品外， 帶PTH端子的愛普科斯 （EPCOS） ERU 33系列產(chǎn)品（圖3右側(cè)）可供選擇適用其額定電感值為3.2µH~10µH，具體視不同型號(hào)而定。如為確保飽和電流為79A，電感器的電阻僅有0.85 m?。該系列的功率扼流圈尺寸為33mm&TImes;33mm&TImes;15mm，適用工作溫度范圍為-40°C至+150°C，并且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，通過AEC-Q200可靠性測試。除標(biāo)準(zhǔn)的ERU 27和ERU 33型號(hào)外，我們還可根據(jù)客戶的特定需求進(jìn)行定制。

圖3：緊湊型愛普科斯 （EPCOS） 功率電感器的通流能力最高可達(dá)75 A

除電感器外，降壓式轉(zhuǎn)換器的核心元件還包括用于儲(chǔ)能和平滑處理的堅(jiān)固型鋁電解電容器。愛普科斯 （EPCOS） B41689和B41789系列（圖4）專為滿足汽車電子產(chǎn)品的嚴(yán)格要求而設(shè)計(jì)，其具備最高達(dá)60倍重力加速度的超強(qiáng)抗振動(dòng)性能。此外，星形焊接和兩端帶陰極板觸點(diǎn)的電容器型號(hào)還能優(yōu)化電容器的安裝，使電容器的等效串聯(lián)電感 （ESL） 維持在較低的數(shù)值。

圖4：應(yīng)用于汽車電子的愛普科斯 （EPCOS） 鋁電解電容器具有最高達(dá)60g的超強(qiáng)抗振動(dòng)性能，且最高工作溫度可達(dá)150°C。

由于內(nèi)置多個(gè)觸點(diǎn)，這些電容器的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 也相當(dāng)之低，從而具有更高的紋波電流能力和更低的損耗。當(dāng)環(huán)境溫度為125 °C時(shí)，這些電容器的連續(xù)紋波電流能力可達(dá)29.5 A，具體視電容器型號(hào)而定。其中，汽車系列額定電壓為25V、40V（或12V）和63V（或48V）的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在這些電壓等級(jí)下，它們能工作在具有兩種不同電壓等級(jí)的新型車載電源系統(tǒng)中。在這電容器的電容量可從360µF至4500µF。

除功率電感器和鋁電解電容器等核心元件外，降壓式轉(zhuǎn)換器還包括一系列的其他TDK集團(tuán)的元件，如多層陶瓷電容器 （MLCC）、電流互感器和壓敏電阻等。

除泵機(jī)等常規(guī)電氣化單元外，48V技術(shù)還通過電子渦輪增壓器提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。常規(guī)的渦輪增壓器主要通過消耗燃?xì)膺M(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此它們的性能與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。此外，它們在運(yùn)行中還稍有延遲，我們將其稱之為“渦輪遲滯”。該缺點(diǎn)可通過電動(dòng)充電器予以消除，特別是當(dāng)它們需要在較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)時(shí)，如市區(qū)行駛，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率（如圖所示）。此外它還具有以下優(yōu)勢：電子渦輪增壓器能與常規(guī)渦輪增壓器相結(jié)合，進(jìn)一步提高充電電壓，或在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到很高時(shí)關(guān)閉電動(dòng)充電器。