鉅大LARGE | 點擊量：1483次 | 2020年03月30日
48V/12V汽車電氣系統(tǒng)高功率轉(zhuǎn)換器
48V輕混電動汽車面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn)，48V/12V轉(zhuǎn)換器需要靈活滿足未來需求。功率等級至少達到1.2kW到3.5kW之間，視車型選擇不同。除了功率范圍外，首要任務(wù)是以可擴展概念優(yōu)化成本，因為出售的每款車型配置并不相同。
1調(diào)節(jié)汽車電氣系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換器
近年來，主動安全、節(jié)能減排等領(lǐng)域大量應(yīng)用已集成到新車型中。這些應(yīng)用包括起/停系統(tǒng)(微混)、電動水泵、空調(diào)壓縮機、渦輪增壓器、助力轉(zhuǎn)向、翻滾抑制系統(tǒng)、駐車制動器、自動變速器和無真空助力制動器。此外還有ADAS(特種、激光特種、帶超快處理器的攝像頭)和選擇性催化還原系統(tǒng)(柴油機尾氣處理液等)。因此，調(diào)節(jié)汽車電氣系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換器功率需要達到1kW，48V/12V雙向電壓轉(zhuǎn)換器功率高達3.5kW。
開發(fā)人員面臨的問題是：如何搭建48V/12V轉(zhuǎn)換器，是否有必要始終為所有車型提供3.5kW最大功率?也就是說，需要1.2kW到3.5kW功率，取決于車型的選擇配備。在已有48V起動發(fā)電機基礎(chǔ)上，汽車制造商推出越來越多配備48V皮帶驅(qū)動起動發(fā)電機的柴油汽車。
242V電氣系統(tǒng)
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2000年，首次嘗試使用42V汽車電氣系統(tǒng)因多種原因失敗。因此，從2003年開始，用12V微混電動汽車取而代之。這種臨時解決方案(起-停系統(tǒng)方案)可優(yōu)化能耗大約5%。這項技術(shù)目前已用于60%以上的車輛中。12V汽車電氣系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)最大波動范圍為3V(11V~14V)。這樣可防止其他電氣設(shè)備受負載波動的影響，并避免車輛電氣系統(tǒng)處于危險狀態(tài)。
圖1：DC/DC轉(zhuǎn)換器3.5kW，帶6相和IHDM電感器（copyVishay）
如果電壓降至11V最低調(diào)節(jié)范圍以下，系統(tǒng)功率會根據(jù)情況下降。低于9V的情況下，其他控制單元將根據(jù)功能和能量要求減速或關(guān)閉。電壓降至6V以下會造成車輛電氣系統(tǒng)完全失效。因此，所有微混電動汽車需要DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器(圖1)的功率范圍為400W至1.5kW，以確保起/停功能正常運行，同時不會對車輛中的其他設(shè)備產(chǎn)生負面影響。
3調(diào)節(jié)汽車電氣系統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器
DC/DC轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)穩(wěn)壓12V微混電動汽車的電氣系統(tǒng)，以防重新起動時電氣系統(tǒng)電壓下降。信息娛樂系統(tǒng)、音頻和照明系統(tǒng)連續(xù)不間斷工作。帶分流檢測電阻器的智能電池傳感器可以連續(xù)測量電池功率和耗電量。12V系統(tǒng)能耗有限。即使采用最大功率發(fā)電機，也無需為額外的動態(tài)大電流系統(tǒng)供電。
因此，提高電氣系統(tǒng)的工作電壓，從而可以開發(fā)新的交流發(fā)電機。這為汽車制造商集成其他大功率電氣設(shè)備，進一步提高整車效率提供了極大的靈活性和可能性。這些汽車通常稱為輕混電動汽車(MHEV)。
4免調(diào)節(jié)48V電氣系統(tǒng)
與12V汽車電氣系統(tǒng)相比，48V系統(tǒng)工作電壓范圍為16V(52V~36V)，并且不會進行調(diào)節(jié)。所有48V控制單元必須在16V電壓擺幅內(nèi)可靠運行。許多設(shè)置和應(yīng)用測試表明，48V系統(tǒng)中，大于48V的動態(tài)電壓上限最長持續(xù)3秒，而動態(tài)電壓下限持續(xù)時間長達100秒。雖然48VMHEV不需要電隔離，但由于必要的防觸電保護，因此任何情況下，最大電壓極限不得超過60V。測試標準為VDA320。根據(jù)VDA320開發(fā)的部件可在定義的電壓范圍內(nèi)可靠運行。
專為48V系統(tǒng)(60VDC的低壓系統(tǒng))設(shè)計的起動發(fā)電機，峰值功率從15kW到20kW，持續(xù)功率從5kW到10kW。這種48V功能系統(tǒng)可以逐步直接適用于所有大電流應(yīng)用，如空調(diào)壓縮機、風(fēng)擋除霜器、電動壓縮機(渦輪增壓器)和48VPTC預(yù)熱器。但是，由于成本的原因，車輛中許多低于600W的12V應(yīng)用還不能轉(zhuǎn)換為48V。
5雙向電壓轉(zhuǎn)換器
MHEV需要48V和12V電池(圖2)。因此，未來5至10年，48V輕混電動汽車需要安裝雙向48V/12V電壓轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器將取代12V交流發(fā)電機。所需功率超過600W的電氣系統(tǒng)將逐步轉(zhuǎn)換為48V子系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向等動態(tài)系統(tǒng)以及起動發(fā)動機時，必須使用12V電池作為緩沖器。
啟-停系統(tǒng)仍是減少二氧化碳排放的解決辦法?；旌蟿恿ζ囆枰诙妷骸?8V電動汽車(MHEV)二氧化碳排放減少16%，同時發(fā)動機功率可提高23%。出現(xiàn)的一大問題是，如何搭建48V/12V轉(zhuǎn)換器，是否有必要始終為所有車型提供3.5kW最大功率?也就是說，需要1.2kW到3.5kW哪個功率等級，取決于車輛選型配置。
6降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
這種類型的轉(zhuǎn)換器要求非常高。從48V輸入(端子40)開始，電壓從24V到最大54V不等，輸出端(端子30)也面臨嚴峻挑戰(zhàn)，工作電壓范圍6V到16V。非常高的輸入電流(升壓)和輸出電流(降壓)幾乎一樣高，因此不難確定。降壓-升壓電流增加與兩種汽車電氣系統(tǒng)的低電壓成反比。在3.5kW降壓-升壓轉(zhuǎn)換中，電流會短暫地變得非常高，尤其假設(shè)在最低輸入電壓時。
除了實現(xiàn)高效率面臨的挑戰(zhàn)(96%)之外，擴展性和成本優(yōu)化也增加了困難。預(yù)計未來許多車輛主要是柴油車將轉(zhuǎn)換為48V輕混系統(tǒng)，因此應(yīng)以可擴展的電壓轉(zhuǎn)換器策略為目標。有必要針對這些功率值，拓展到80V和100V新型半導(dǎo)體器件，以及用于存儲和濾波應(yīng)用的大電流電感器。
圖2：48VMHEV的簡化圖（copyVishay）
Vishay產(chǎn)品幾乎涵蓋每一種拓撲結(jié)構(gòu)(3、4、6或8相同步整流直流轉(zhuǎn)換器)、IHDM系列大電流電感器(圖3)和IHLP系列對稱耦合和不對稱耦合電感器。產(chǎn)品組合還包括對效率影響很大的半導(dǎo)體器件，如功率MOSFET、最大功率高達15W的高精度檢流電阻器、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管。除了IHDM系列大電流鐵粉芯線圈濾波器之外，新型IHSR貼片電感器是輸出端子40(48V)輸出濾波器眾多選擇中的關(guān)鍵器件。
圖3：定制降壓-升壓IHDM存儲線圈（copyVishay）
為實現(xiàn)3.2kW功率，端子40電流必須達到大約74A；對于12V電源(端子30)，轉(zhuǎn)換器在12V電壓條件下電流為292A(圖4)。端子30電流約為300A，選擇多路轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，因為它們具有最佳效率/成本/體積比。
DC/DC轉(zhuǎn)換器3.5kW圖像
圖4：DC/DC轉(zhuǎn)換器，6相，1.5kW，使用IHLP6767GZ標準電感器（copyVishay）
7總結(jié)
為提供12V電壓各種功率級別(1kW~3.5kW)性價比極高的系統(tǒng)，數(shù)字穩(wěn)壓器是模擬調(diào)節(jié)雙向電壓轉(zhuǎn)換器的首選。理由如下：
1靈活
局部可變功率設(shè)置
軟啟動或數(shù)字電流調(diào)節(jié)
故障識別(通過總線系統(tǒng)通信)和可變相移
可擴頻降低電磁干擾(EMI)
2效率
部件負載范圍內(nèi)單個相位關(guān)閉
利用變頻選擇優(yōu)化效率；理論上：自動效率優(yōu)化，如最大功率點跟蹤(MPPT)方
單相效率分析優(yōu)化部件負載策略
3溫度
部件負載范圍內(nèi)單相循環(huán)滿負荷使用
溫度監(jiān)測
按需風(fēng)扇控制
各相位負載依溫度分布
在電壓高達60V(端子40)，最大峰值電壓達70V的條件下，為了在這功率等級下可靠運行，48V系統(tǒng)必須采用耐壓至少80V的MOSFET。
最后，最大的挑戰(zhàn)是以可擴展概念優(yōu)化雙電氣系統(tǒng)的成本，因為出售的每款車型以及配置并不相同。48V輕混電動汽車前景預(yù)測極為可觀，到2025年，這一配置可能會占到所有車輛的25%。
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