作者：安森美半導體電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)系統應用經(jīng)理John Grabowski

前言

隨著(zhù)對環(huán)境和空氣質(zhì)量狀況越來(lái)越多的關(guān)注，需要解決減少車(chē)輛二氧化碳氣體排放的問(wèn)題。解決此問(wèn)題最好的辦法是降低車(chē)輛的平均油耗。使用混合動(dòng)力汽車(chē)，而不是純內燃機(ICE)動(dòng)力汽車(chē)，是減少油耗的一種新方法。

在所有道路車(chē)輛中，牽引動(dòng)力系統必須能夠在非常寬廣的功率和速度(通常被稱(chēng)為轉矩-速度范圍)條件下運行，混合動(dòng)力系統的使用支持系統設計人員在不同的轉矩-速度范圍點(diǎn)上自由地優(yōu)化兩個(gè)電源。此電源能夠提供有益于加速的非常大的扭矩，但它只能在有限的時(shí)間內使用。具體時(shí)間取決于電池的大小和電機的輸出轉矩。有了高扭矩產(chǎn)生電源，可大大縮小內燃機尺寸，從而提高燃油能效。然而，增加這種混合動(dòng)力源當然不是微不足道的工程問(wèn)題，需要一種方法，包括影響許多車(chē)輛系統的設計考慮因素。

功能電子化一般是通過(guò)增加高壓(約350 V)電池和高性能電機直接耦合到ICE動(dòng)力系統來(lái)實(shí)現的。這些‘全’混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)一直是燃油能效車(chē)輛的定義類(lèi)，從提高能效的角度，是非常有吸引力的。然而，他們增加了相當大的成本和重量。

近年來(lái)，48V汽車(chē)系統架構受到了廣泛的關(guān)注。這些系統可被認為是向全混合動(dòng)力汽車(chē)邁出的一步。它們通常被稱(chēng)為 “輕度”混合動(dòng)力汽車(chē)(MHEV)。它們由一個(gè)相對緊湊的48V電池、一臺高性能電機和多個(gè)48V電氣化子系統構成。48V系統的較低成本更增加了它們對汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)商(OEM)的吸引力，將很快成為大多數汽車(chē)制造商產(chǎn)品組合的一部分。

輕度混合動(dòng)力汽車(chē)雙電壓架構

目前，現有的48V架構有很多種，變體也在增加。大多數系統包括一個(gè)電池、一個(gè)起動(dòng)機發(fā)電機、一個(gè)電壓轉換器，通常至少有一個(gè)48V負載。由于48V汽車(chē)仍然保留12V電池和多個(gè)12V負載，因此在可預見(jiàn)的未來(lái)，這些系統很可能會(huì )以雙電壓架構存在。請參見(jiàn)圖1。

圖1.典型的48 V輕度混合動(dòng)力系統電氣拓撲

使用48 V雙電壓結構，許多新的汽車(chē)電氣配置是可能的。因為48 V系統從根本上來(lái)說(shuō)能夠提供更高的功率水平，所以使用新的、更高功率的子系統是可能的。隨著(zhù)48 V系統的出現，在12 V拓撲中集成48 V電動(dòng)壓縮機和48 V電動(dòng)穩定系統成為可能。此外，更高功率的實(shí)現將通過(guò)利用提高的能效促成更高動(dòng)力的12 V負載遷移到48 V總線(xiàn)。

最初，雙電壓系統的12 V將保持原樣，沒(méi)有12 V交流發(fā)電機。由于唯一的電源是48 V發(fā)電機，該系統將需要一個(gè)轉換器，將48 V產(chǎn)生的功率轉移到12 V電池。這種轉換器需要緊湊、輕量級和高能效。它的設計是雙向的，這使得在高電流需求時(shí)期能結合使用兩種電池，需要在冷車(chē)啟動(dòng)等情況下使用。該雙向轉換器能夠轉換來(lái)自任何一個(gè)電池的電源，并在它們之間傳輸能量。

48 V的起動(dòng)發(fā)電機是主要部件。它負責產(chǎn)生汽車(chē)的所有電力并啟動(dòng)汽車(chē)。此外，起動(dòng)機發(fā)電機在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行再生能量回收。在這種模式下，機器充當發(fā)電機，向動(dòng)力總成提供負扭矩，使汽車(chē)減速，并回收電池的電荷。起動(dòng)發(fā)電機有許多配置和功率水平，每一個(gè)都有非常具體的汽車(chē)實(shí)施目標。

48 V輕度混合動(dòng)力汽車(chē)DC-DC轉換器

雙向電源轉換器需要在兩個(gè)電池系統之間共享電荷，并且功率范圍通常在1kW到3kW范圍。在這種大功率范圍內維持高能效的最流行的拓撲結構是多級降壓升壓轉換器。降壓拓撲支持功率從較高的電壓側向下流向較低的電壓側。升壓拓撲支持功率流向相反的方向。多級設計支持將多個(gè)獨立的轉換器子電路組合成單個(gè)高功率轉換器。這種多級設計支持在輕載條件下去掉(shedding)某些段。多級shedding功能通過(guò)使用一個(gè)可導通或關(guān)斷的輸出MOSFET以使能每一特定段實(shí)現。典型的轉換器設計如圖2所示。突出顯示的方框表示安森美半導體提供大量產(chǎn)品的領(lǐng)域。

Interleaved Buck-Boost 48V-12V Bidirectional Converter：交錯式降壓-升壓48 V-12 V雙向轉換器

48 V Positive Rail：48 V正向軌

48 V Negative Rail：48 V負向軌

Alternate Half Bridge Power Module：備用半橋電源模塊

Gate Driver：門(mén)極驅動(dòng)器

Half-bridge Gate Driver：半橋門(mén)極驅動(dòng)器

One of N Multiple Interleaved Stages：多個(gè)交錯式段之一

Current Sense Amplifier：電流檢測放大器

12 V Positive Rail：12 V正向軌

12 V Negative Rail：12 V負向軌

圖2. 多級DC-DC轉換器的單級拓撲

輕度混合動(dòng)力汽車(chē)子系統

MHEV有各種各樣可能的48 V子系統，比僅使用12 V的系統實(shí)現更多可能性。MHEV上的最高功率負載是電控增壓器，稱(chēng)為電動(dòng)壓縮機(E-Compressor)。由于增壓器需要在幾分之一秒加速到極高的速度，它需要大量的瞬態(tài)功率。典型的增壓器驅動(dòng)含由三相逆變器驅動(dòng)的低慣量三相電機。峰值功率水平可達8 kW以上，盡管它的平均功率相對較低。這些寬范圍功率配置完美匹配48V系統，在相對較短的時(shí)間產(chǎn)生大量的功率。

許多其他汽車(chē)子系統也非常適合48 V結構的單相和三相配置。圖3列出了可能的48 V子系統。

圖3. 48V子系統小結

其它48 V系統

許多48 V子系統由低功耗三相電機驅動(dòng)系統組成。這些電機驅動(dòng)器最便于通過(guò)模塊設計來(lái)實(shí)現。安森美半導體的汽車(chē)電源模塊(APM)三相模塊系列是理想的選擇。這些模塊為三相輔助電機驅動(dòng)系統的構建提供了一個(gè)緊湊、高效的選擇。該模塊具有功率橋、內部分流電阻、緩沖電容器等6個(gè)器件，并構建在一個(gè)隔離的陶瓷基板上。為評估80V APM器件的性能，創(chuàng )建了48 V逆變器參考設計。系統配置和圖片如圖4所示。

圖4. 基于A(yíng)PM的48 V三相輔助電機驅動(dòng)

它有以下特性：

該三相電機驅動(dòng)系統在安森美半導體的密歇根州安阿伯電源實(shí)驗室處于最后的測試階段。測試完成后，

安森美半導體將提供更多的詳細信息。

48 V 系統器件

安森美半導體提供許多適用于48 V電子系統設計的器件。這些器件的簡(jiǎn)單分組如表1所示。我們提供各種分立和模塊化封裝的MOSFET。即使在具有較大共模電壓的設計中，我們的電流檢測放大器系列能夠將分流電阻電壓轉換成邏輯電平信號。此外，我們正不斷開(kāi)發(fā)新的器件，以擴大我們世界級的陣容。新的器件封裝也處于A(yíng)EC認證的最后階段，并將很快推出生產(chǎn)。

表1. 48 V 輕度混合動(dòng)力汽車(chē)方案應用器件

48 V子系統擴展

48 V革命的一個(gè)可能的結果將是產(chǎn)生各種各樣的48 V外設。這種擴展可能會(huì )降低48 V子系統的成本，并增加它們對其他高壓汽車(chē)的吸引力。如果這些外設包括在全混合動(dòng)力汽車(chē)或電動(dòng)汽車(chē)，它們將需要一個(gè)48 V電源，從而引入對三重電壓結構的需要。這種架構將為電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)生成一種新的方案器件需求，稱(chēng)為“三重電壓轉換器”。

總結

在12 V和全混合動(dòng)力汽車(chē)中添加48 V系統將為設計人員提供實(shí)現當今汽車(chē)所需的提升燃油能效的機會(huì )。這也將大大增加對新的和創(chuàng )新的電力電子電路的需求。盡管將出現48 V架構的許多變體，但最終的結論將在汽車(chē)客戶(hù)權衡了特性和效益與成本之后。