汽車制造商擁抱48V輕混系統

Ed+Kohler

摘要：全球的汽車制造商已經開始推出采用新48V電源子系統的汽車。本文就48V電源子系統相關性能及系統優勢進行了詳細介紹，同時介紹了一款12V/48V電源系統及雙向DC/DC同步PWM控制器ISL78226。

關鍵詞：48V電源子系統；ISL78226；功率轉換

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.005

引言

全球的汽車制造商都開始推出采用新48V電源子系統（亦稱board net）的汽車。首先是歐洲OEM廠商，如奧迪在其SQ7 TDI型號的車上裝備了48V系統。該系統為電動壓縮機和機電式主動側傾穩定系統供電，其中，前者可消除渦輪遲滯。后者可改善駕乘和操作性能。48V的推廣現已在全球展開，包括吉利和中國一汽集團在內的眾多中國OEM廠商宣布，將在未來幾年推出48V輕混汽車，意大利—美國OEM廠商菲亞特克萊斯勒也有類似計劃，韓國OEM廠商現代和雙龍也已展示了48V輕混系統。

法規推動輕混系統的推廣

48V子系統確實會增加汽車成本，但其得到廣泛接受的事實表明，汽車制造商認可它是實現更低C0₂排放、提升燃油經濟性和增強汽車駕駛性能的一條途徑。C0₂排放和燃油經濟性監管要求正在推動48V輕混系統的采用。達不到這些指標的OEM會受到嚴厲處罰。圖1顯示了全球各地頒布的C0₂排放限值。在美國、歐洲、中國和韓國，汽車制造商需要在未來十年使其汽車C0₂排放減少22%～6%，以符合現行法規。

圖2顯示了燃油經濟性指標。為了達到這些指標，汽車制造商必須在未來10年內使燃油經濟性提升24%-49%。在法規變得越來越嚴格的同時，全球范圍內也在進一步加緊提高道路循環試驗對實際行車條件的代表性。隨著試驗方法的改進，汽車制造商將會發現更難達到上述法規要求。

鑒于日益嚴格的法規和更加嚴厲的違規處罰，汽車制造商都在積極開發有助于減少C0₂排放和改善燃油經濟性的技術。所以48V輕混系統迅速得到采用并不令人驚訝，因為它能夠以相對較低的增量成本使小型車的排放減少10%-15%，大型車減少15%-20%。48V系統詳解

如圖3所示，48V系統通常由幾個核心部件組成，包括48V電池、48V啟動器/發電機和12-48V DC/DC轉換器。一般選用48V鋰離子電池為該板網（boardnet）提供蓄能，這是因為鋰離子電池具有高蓄能—重量比（能量密度）和快速充電能力，可幫助實現高效的再生制動系統。48V啟動器/發電機可取代12V交流發電機和12V啟動器。它在啟動引擎后充當發電機，將內燃機的轉動能轉化為電能。制動期間，汽車的動能使發電機運轉，并產生大概12-15KW功率，同時使汽車減速。根據啟動器/發電機集成到動力總成系統的方式的不同，它也可能在加速期間提供助推或扭矩輔助。 最后，使用12V/48V雙向DC/DC轉換器將現有12V板網連接到新的48V板網。12V/48V DC/DC轉換器通常可從48V系統向12V板網提供最大3.5KW功率，為現有汽車電子供電。在有些情況下，12V板網也必須通過12V/48V DC/DC為48V電子部件供電，因而需要雙向電能輸送。48V子系統除了這三個共有部件外還可添加其他部件，如電動壓縮機、電機式側傾穩定、電動擋風玻璃清潔和各種電動機，以支持水泵和冷卻風扇等功能。

減少C0₂排放，提升燃油經濟性

如上所述，汽車制造商增加48V板網可獲得的主要優勢之一是減少C02排放和提升燃油經濟性。影響因素包括增加48V啟動器/發電機，與標準12V系統相比，這可顯著改進啟停系統。48V啟動器可將發動機啟動時間從傳統12V系統的1-2秒縮短到僅僅兩百毫秒。所以，與12V啟停系統需要保持發動機運轉才能提供快速加速和立即重啟不同，48V系統允許發動機在此期間停止運轉。48V電池的附加容量還允許發動機停止更長的時間，同時仍然保持一些功能，如車內環境控制和信息娛樂系統。此外，48V啟動器能提供助推或扭矩輔助，從而減小內燃機上的荷載，以提高加速效率。與典型的2KW交流發電機相比，12-15KW啟動器/發電機能夠在汽車制動時捕獲更多動能，且鋰離子電池能夠更好地快速儲存回收的能量，從而顯著改善再生制動的效果。

縮小發動機尺寸，提升駕駛性能

通過縮小內燃機尺寸和添加48V增壓器來提供額外功率提升，以獲得更出色的加速性能，汽車制造商實現了又一項顯著改善而不影響汽車駕駛性能。標準12V渦輪增壓汽車也通過縮小發動機尺寸來改善效率，但與機械驅動系統有關的渦輪遲滯和發動機轉速低時無助力可用，導致駕駛體驗令人不甚滿意。采用48V增壓可在發動機的任何轉速下提供幾乎瞬間的助推，消除了對駕駛性能的負面影響。在12V系統轉換到48V系統時，重量減輕還有其他好處。典型情況下，供電線束可將提供相同電能所需的電流減小4倍，且使用48V系統的電機遠輕于使用傳統12V系統的電機。新48V系統的重量增加有小的負面影響（在其不取代現有12V系統情況下）：但該影響不會削弱整體性能改進。

48V系統不僅可以減少C02排放和提升燃油經濟性，汽車制造商還相信消費者將會重視其對駕駛性能的改善。奧迪已證明使用48V電動壓縮機能夠提升離線加速度。電動壓縮機轉速可在250毫秒內增至每分鐘70000轉，幾乎在瞬間提供扭矩—助力，甚至在低發動機轉速時亦能如此。與傳統12V啟動器相比，使用48V啟動器/發電機時，發動機啟動時間更短，振動更小。使用48V的啟停系統也改變了人們對于這些系統煩人且不允許駕駛員做出必要的瞬間決定（如駛入高速車流）的認識。雙向DC/DC控銅j器助力12V-48V系統

12V/48V電源系統需要的唯一附加元件是功率相對較高（最大3.5KW）的雙向DC/DC轉換器（如圖4所示），以作為48V和12V系統之間的橋梁。以前的DC/DC轉換器僅支持單向運行，且功率只有幾百瓦甚至更小，這是一個主要挑戰。好在。Intersil的新型控制器可提供12V和48V板網間的雙向DC/DC轉換，并可進行擴展，以提供從不足1KW到3.5KW以上的功率。

ISL78226是一款6相12V/48V雙向同步PWM控制器，專為解決在12V與48V電源系統之間實現高功率雙向電橋的挑戰而開發。為滿足這個新要求，一級汽車供應商起初必須使用原本用于其他應用的現有器件來構建相應的系統。方法之一是使用DSP來實現可用于驅動多相半橋功率轉換級的數字電源算法。這種方法雖然靈活，但需要深厚的控制理論知識，以及隱含的全面和長期固件支持。另一種方法是將兩個單向控制器與數個多路復用器和一個微控制器結合起來，以啟動合適的路徑。這種方法需要冗余元件，導致最終解決方案大而復雜。

ISL78226是一個執行雙向DC/DC功率轉換的單一模擬控制器，避免了以上替代方法的缺點。它最多可控制6個相，并自動改變活躍相的數量，以適應輸出要求的負載，從而使DC/DC轉化效率最大化。單個ISL78226 IC通常可支持最大3.75KW功率轉換，但可將多個IC結合起來管理更多相數，以支持功率更大的系統。當通過并聯使用來進行更大的功率轉換時，這些IC可協調相對相電流平衡和錯誤響應。該控制器可調節輸出電壓（降壓模式下12V或升壓模式下48V），并包括一個簡單的跟蹤接口，有助于通過數字PWM信號或模擬基準源（analog reference）來調節輸出電壓。在調節輸出電壓時，該器件可主動平衡每個功率級相的平均電流。這有助于補償損耗和防止在某個相形成熱點，例如在電感器等元件失配時。

另外，ISL78226還可以調節最大平均電流，以限制在任一方向上的電能輸送量。這可保護DC/DC轉換器以及汽車的整個電網。它還允許在12V電池或48V電池直接連接到輸出的應用中進行恒流充電。該控制器包括一個提供系統控制和診斷的PMBus數字接口，可幫助實現功能性安全目標，并有足夠的故障覆蓋率。另外它還允許系統在條件超出警告閾值時采取預防措施，并在發生嚴重錯誤或故障時，可以對控制器進行配置，以允許汽車以跛行模式行駛。

結論

汽車OEM廠商非常歡迎48V電源子系統并將其用于新車研發。有幾家汽車制造商已宣布將會推出48V輕混汽車。增加一條電源總線的推動力是通過輕混技術提升燃油經濟性和減少C02排放，同時提升汽車的駕駛性能。48V板網可實現汽車制造商的所有目標，同時其成本優勢使它比全混技術更有可能實現大規模采用。endprint