适用于轻度混合动力汽车的48V汽车系统

作者：安森美半导体系统设计工程师John Grabowski

前言

随着全球各地对环境状况(特别是空气质量)这一问题的关注日益提升，汽车的CO2排放量需要通过减少汽车的平均油耗来降低。实现这一目标的方法之一就是采用混合动力发动机，而不是纯内燃发动机(ICE)动力汽车。

在典型的汽车中，牵引动力系统必须能够在非常宽泛的功率和速度条件范围内运行，这通常以“转矩-速度”范围来表示。混合动力系统的采用让系统设计者能够自由地在不同的转矩-速度范围内，以优化每项系统性能的方式，对多重动力源进行布置。电动力源可提供非常高的转矩，且在加速汽车时非常有用，但它仅在有限的时间段内可用。所涉及的具体时间取决于电池大小和电机的转矩输出。借助这种可产生动力源的高转矩，ICE尺寸得以显著缩小。这使其燃油能效也大大提升。然而，添加电动力源当然并非简单的工程问题，需要一种有关许多汽车系统设计考量的方法。

传统上，通过添加高压(〜350V)电池和直接耦合至ICE动力系统的高性能电机，电气化已经得以实现。这些'全'混合动力汽车的定义类别一直是节能汽车，且从提升能效角度看也颇具吸引力。但是，它们也使汽车的成本和重量大大增加。

最近，48V汽车系统架构得到了相当多的关注。这些系统可以说是是向着全混合动力汽车前进的一步。通常情况下，称它们为“轻度混合动力(Mild Hybrids)”，但当在更低的功率级别下设计时，也可归类为“微混合动力(Micro Hybrids)”。它们采用相对紧凑的48V电池、高性能电机、以及至少一个额外的48V电气化子系统。48V系统更低的成本使其在许多汽车OEM厂商眼中颇具吸引力，它们很快将成为大多数汽车制造商产品组合中的一部分。

48V架构

48V架构的选择宽泛，且在不断增加。最基本的系统包括一块电池、一个起动发电机、一个48V至12V转换器，且通常至少有一个48V负载。由于48V汽车仍然保留12V电池和多个12V负载，因此目前这些系统可能会以双电压系统的形式存在。

图1.典型48V轻度混合系统电气拓扑结构

凭借这些双电压系统，大量的新配置成为可能。由于48V系统基本上能够提供更高的功率水平，因此它将支持全新更高功率的外设，如48V E-Turbo和48V E-Roll稳定系统。此外，更高的功率可用性将推动耗电的12V负载迁移至48V总线，以充分利用更高的能效。

起初，双电压系统的12V系统侧将保持原样，减去12V交流发电机。由于没有12V电源的发电源，因此需要有一个转换器负责将48V产生的电力转移到12V侧。尽管转换器需要高能效，但它仍会对所有12V负载施加损耗惩罚，因其需要通过转换器获取电源。在增加的损耗和功率限制之间产生了强大的诱因，能够将12V外设移至48V运行。

这些转换器在设计上为双向的，在高需求期间可同时使用两种电池。双向转换器能够将来自任一电池的电源转换到另一电池，并且可能存在于未来某一段时间内。

除冗余之外，保留12V启动器并没有技术上的原因，将其拆移除可能会成为未来的趋势。如果不再需要它，那么12V电池的尺寸能够显着减小，甚至可以完全移除。但这将是一个大胆的举动，需要非常谨慎地对转换器进行设计。

对于48V系统侧，起动发电机是主要部件。它负责汽车所有电力生成、以及汽车起动。它还能在汽车制动期间执行再生能量回收。在此模式下，机器作为发电机为动力系统提供负转矩，减慢车速并恢复电池电量。起动发电机有多种配置和功率级别，每个都有着非常具体的实施目标。

混合动力领域采用了一个简写代码来确定电机在底盘子系统中的位置。该系统通过使用一组Px指示器来生成标签，指示电机与动力系统耦合的每个位置。指示器(P0至P4)的数值在功率插入点穿过车尾时会上升。

由于BSG的插入点位于发动机的前端附件驱动(FEAD)处，因此BSG的功率级别是最小的，其中转矩的传输必须通过钢带连接。由于其通过钢制齿轮耦合，所以底盘的其余插入点(P2-P4)都具有更高的功率水平。另外，更高功率的机器具有能够为ICE提供牵引辅助的附加功能。这意味着除了由ICE提供的动力之外，电动力源还也能够提升汽车的加速度。在某些配置下，可以想象在ICE关闭的情况下，汽车单靠电动力源即可开动。这取决于电机可用的牵引辅助量及其在底盘子系统中的位置。

48V子系统

双电压系统需要增加48V至12V电源转换器。在没有12V交流发电机的情况下需要为12V系统供电，就需要该组件。由于需要双向行为和高能效，所以需要专门的设计方法。这些转换器的典型功率范围在1kW至3kW范围内，为了在这样的大功率范围内保持高能效，多级降压-升压转换器是当前最流行的拓扑结构。降压拓扑结构允许电力从较高电压侧流向较低电压侧。与之类似地，升压拓扑允许反方向的功率流动。多级设计允许共享许多单独的转换器子电路，以组合成一个高功率设计。在转换器输出负载很重的情况下，所有的子电路都能够工作。当转换器输出轻负载时，许多子电路将被关断，从而提供更低的损耗和更高的能效。

能想得到的48V负载有多种多样，而许多较高的功率负载无法通过12V系统实现。其中最高的是电控增压器。由于增压器需要在几分之一秒内加速到极高的速度，因此需要相当高的瞬态功率。典型的增压器驱动包括一个低惯性三相电动机，由一个三相逆变器驱动。尽管平均功率相对较低，但峰值功率可达8kW以上。如此宽泛的功率范围配置可完美匹配48V系统。许多其它汽车子系统也非常适合48V架构，无论是单相还是三相配置。图3中列出了可能的48V负载。

图3. 轻度混合子系统组件摘要

其它48V系统

48V电池系统由锂离子电池构成，相较于铅酸电池，它需要更多的注意和处理。鉴于此，48V汽车需要电池管理系统(BMS)。该系统负责监控电池电压和电池温度，以便能够安全地为电池充电。由于48V系统具有再生能力，这种情况也变得更为复杂。当汽车电池的剩余电量足够低时，可发出再生指令，但是对BMS的控制需要非常谨慎，这对于防止过充或过热至关重要。

48V电路对熔断和接触也有更为复杂的要求。目前尚不确定，如果用于48V系统，12V刀片式保险丝能否提供足够的电弧防护。而且，由于48V系统所需的继电器触点距离将大于12V系统所需的，因此需要重新设计保险丝和继电器。由于这些组件的要求都可以通过采用半导体器件轻松满足，所以这些问题很可能通过电子方案来解决。

结论

将48V系统添加到12V汽车将让设计人员有机会实现当今汽车所需的燃油能效提升。它还将大大增加对新型创新的电力电子电路的需求，虽然48V架构的许多变体将会出现，但最终的评判将在汽车客户权衡特性优势与成本之后得出。