48V-12V DC-DC轉(zhuǎn)換器的核心技術(shù)

自從1898年汽車首次采用電氣照明以來，市場對于汽車電氣特性和功能的需求日益增長。隨著12V系統(tǒng)的局限性逐漸凸顯，汽車行業(yè)正逐步轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng)。這一轉(zhuǎn)變不僅是為了提供更大的電力容量，縮小電線和連接器的尺寸，也是為了支持更多先進(jìn)的電氣功能，并有效降低能耗。

在當(dāng)前的輕度混合動力汽車(MHEV)中，通常會配備兩塊電池：一塊48V電池和一塊傳統(tǒng)12V電池。其中，48V-12V DC-DC轉(zhuǎn)換器起到了關(guān)鍵作用，它將這兩塊電池連接起來，確保電力系統(tǒng)的高效運行。48V電池主要用于支持車輛的高性能需求和節(jié)能特性，而12V電池則繼續(xù)負(fù)責(zé)為諸如信息娛樂系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)和安全模塊等較低功率的設(shè)備供電。這種設(shè)計既保證了系統(tǒng)的兼容性，又促進(jìn)了新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

本文為“48V-12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器”系統(tǒng)解決方案指南的第一部分，將介紹系統(tǒng)目標(biāo)、市場信息及展望、系統(tǒng)描述。

系統(tǒng)目標(biāo)

48V 過去主要應(yīng)用于內(nèi)燃機領(lǐng)域， 可實現(xiàn) MHEV 的啟停功能以及其他減排技術(shù)， 包括電動渦輪增壓器、 廢氣再循環(huán)(EGR) 泵和電加熱催化器。

MHEV 在提升燃油效率和減少排放的同時， 仍能保持人們熟悉的駕駛體驗。通過結(jié)合內(nèi)燃機(ICE) 與電動機的動力，MHEV 為實現(xiàn)全面電動化提供了一種切實可行的過渡方案。

與高壓 (HV) 系統(tǒng)相比，48V 系統(tǒng)的一個顯著特點是底盤接地。48V 系統(tǒng)保留了傳統(tǒng) 12V 系統(tǒng)的簡單性、 節(jié)省成本和屏蔽優(yōu)勢， 同時將負(fù)載電流降低了 4 倍。與 12V 系統(tǒng)相比， 由于電壓裕量增加， 48V 系統(tǒng)能夠保持更高的功率質(zhì)量。

48V 系統(tǒng)同樣也是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS) 和更高級別自動駕駛功能的推動因素。電動助力轉(zhuǎn)向、 線控轉(zhuǎn)向和線控制動(X-by-Wire) 是功率消耗較大的配件， 線控制動系統(tǒng)同時也需要極高的可靠性和功能安全性， 并且具備冗余設(shè)計。

對于像線控轉(zhuǎn)向這類峰值負(fù)載較高的裝置來說， 在 48V 系統(tǒng)中實現(xiàn)冗余驅(qū)動相較于 12V 系統(tǒng)能夠使裝置更加輕量化，并且更經(jīng)濟(jì)。

市場信息及展望

最近， 48V 配件開始進(jìn)入市場， 應(yīng)用于純電動汽車(Battery Electric Vehicle, BEV) 中， 用于替代現(xiàn)有車輛負(fù)載， 包括制冷、 座艙風(fēng)扇以及其它不適合采用高壓(High Voltage, HV) 的高功率配件。

隨著 48V 系統(tǒng)的普及， 車輛將混合使用 12V、 48V 和 高壓(400V/800V， HV) 電源網(wǎng)絡(luò)。48V 電源系統(tǒng)實用性逐步提高， 傳統(tǒng) 12V 配件將從系統(tǒng)中最高的負(fù)載開始， 逐步遷移到 48V 總線上。傳統(tǒng)的 12V 負(fù)載將繼續(xù)由DC-DC轉(zhuǎn)換器提供電力， 這些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以從高壓總線或 48V 電池供電;隨著負(fù)載向 48V 遷移， 48V 系統(tǒng)將成為主流， 12V DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸也將隨著時間逐步減小。

48V 輕度混合動力汽車的實施門檻相對較低， 汽車制造商可以利用現(xiàn)有的汽車平臺進(jìn)行改造， 在其新車型中將 48V 輕混系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置推出市場， 從而滿足全球用戶的大量需求。MHEV 憑借具有成本效益的電動解決方案， 成為極具吸引力的用戶選項。

全球 MHEV 市場一直在穩(wěn)步增長， 盡管其增長速度不及純電動汽車(BEV) 和插電混合動力汽車(PHEV) 市場。這一趨勢表明， 消費者開始傾向于使用電網(wǎng)充電的汽車。盡管如此， MHEV 因其成本較低， 無需充電基礎(chǔ)設(shè)施且使用方便，仍然在全球電動汽車市場中占有相當(dāng)大的份額。

2021 年全球 MHEV 市場價值為 711.9 億美元， 預(yù)計到 2030 年將達(dá)到 3332.7 億美元， 2021 年至 2030 年的復(fù)合年增長率 (CAGR) 為 18.5%。2023 年的市場價值預(yù)計將達(dá)到 1,003.5 億美元。

亞太地區(qū)因車輛銷量最高， 尤其是中國， 占據(jù)了最大的市場份額。預(yù)計至 2030 年， 該地區(qū)將以更快的速度增長。許多汽車廠商繼續(xù)在亞太市場投資， 以滿足對混合動力汽車的強勁需求。

來源：EV-Volumes：2022 年全球電動汽車銷量， Mordor Intelligence：油電混合動力汽車市場規(guī)模和份額分析，Coherent Market Insights：油電混合動力汽車市場分析

系統(tǒng)描述

DC-DC 轉(zhuǎn)換器

MHEV 48 V 系統(tǒng)的主要電子單元包括一個三相逆變器， 用于操作啟動機/發(fā)電機， 為 48 V 電池充電;以及 DC-DC 轉(zhuǎn)換器， 用于將 12 V 和 48 V 電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器可設(shè)計為單向或雙向， 其中單向功能(降壓) 是必須的。本《系統(tǒng)解決方案指南》 假定雙向轉(zhuǎn)換器為設(shè)計目標(biāo)。功率級別從 1 kW 到 3 kW 不等， 降壓模式通常為 3 kW， 而升壓模式通常僅為 1 kW。

非隔離雙向同步升降壓是最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雙有源橋、CLLC 等隔離拓?fù)湟彩强尚械模?但由于設(shè)計復(fù)雜性和較低的電壓電平要求而未被廣泛采用。隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在高壓到低壓轉(zhuǎn)換中非常普遍， 在這種情況下， 必須隔離電路中的高壓和低壓部分。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器專為 12V 和 48V 標(biāo)稱電池電壓而設(shè)計， 但必須能夠在標(biāo)稱電壓之外運行， 因為電壓電平會因電池充電狀態(tài)和其他因素而變化， 需要為高于或低于標(biāo)稱電壓的工作電壓留出空間。

為了達(dá)到最佳性能， 48V 電池需要低串聯(lián)電阻和平緩的放電曲線。電池電壓不應(yīng)隨電池充電電量發(fā)生大幅變化。適合的技術(shù)有鋰離子電池( Li-Ion) 或鋰聚合物電池( LiPol) 。

傳統(tǒng)的 12V 鉛酸電池(Pb) 也因其在低溫下性能更佳、 自放電更低以及總體容量成本比等電氣優(yōu)勢而被保留在MHEV中。

ISO 21780:2020 規(guī)定的48V 系統(tǒng)電壓電平標(biāo)準(zhǔn)

MHEV 中的啟動-發(fā)電機

現(xiàn)在， 啟動機和發(fā)電機被集成到一個器件中， 即集成式啟動發(fā)電機(ISG) 或皮帶式啟動發(fā)電機(BSG) 。BSG/ISG 裝置可實現(xiàn)啟停功能、 滑行或制動時的能量回收、 內(nèi)燃機運行時產(chǎn)生電能， 還可根據(jù)系統(tǒng)情況實現(xiàn)電力驅(qū)動或增壓。

在能量回收或發(fā)電模式下， BSG/ISG 可作為發(fā)電機運行， 給 48V 電池組充電。BSG/ISG 的主要區(qū)別在于其物理位置、 與發(fā)動機的連接以及在車輛內(nèi)的集成。這些位置標(biāo)記為 P0 至 P4。不同的啟動發(fā)電機集成方案(P0 - P4) 都為系統(tǒng)提供了不同程度的能力和設(shè)計挑戰(zhàn)。

BSG 通常在發(fā)動機外部安裝， 并通過皮帶驅(qū)動系統(tǒng)連接(P0) ， 適合對現(xiàn)有車輛進(jìn)行改裝。然而， 與 ISG 相比， 其效率較低。

ISG 結(jié)構(gòu)緊湊， 與發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的集成更緊密(P1-P4) ， 從而提供更快的響應(yīng)時間和更高的效率。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的 MCU 和感知系統(tǒng)

MCU 充當(dāng)控制 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的大腦， 負(fù)責(zé)進(jìn)行必要的動態(tài)調(diào)整， 以實現(xiàn)最佳和高效的功率傳輸。它持續(xù)監(jiān)控和處理傳感器輸入， 其中最重要的是電壓、 電流和溫度。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電壓取決于電池及其充電狀態(tài)。在此應(yīng)用中， 因為電壓由電池施加， MCU 對輸入和輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控， 而不是調(diào)節(jié)。無論電池電壓如何變化， DC-DC 轉(zhuǎn)換器都必須能夠在當(dāng)前工作范圍內(nèi)傳輸功率。

MCU 可根據(jù)電流和電壓反饋動態(tài)調(diào)整 PWM 占空比和開關(guān)頻率。這對于保持穩(wěn)定的輸出電壓、 補償功率傳輸變化、減少損耗和確保最佳轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。電流檢測對于控制功率流、 防止過流和保持在安全運行范圍內(nèi)至關(guān)重要。

通常采用數(shù)字隔離器來保護(hù) MCU 免受不同接地基準(zhǔn)帶來的潛在問題的影響， 并限制噪聲從功率級傳播到控制級。隔離柵極驅(qū)動器、 MCU 和功率級有助于管理噪聲和電壓尖峰傳播。不建議在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中使用光電耦合器， 因為當(dāng)暴露在較高溫度下時， 光電耦合器的關(guān)鍵參數(shù)會隨使用壽命而退化和漂移。(有必要對漂移進(jìn)行補償)

MCU 通過車載 CAN總線與電池管理系統(tǒng)(BMS) 通信， 以便調(diào)整電池充電狀態(tài)。MCU 必須能夠斷開轉(zhuǎn)換器， 使其在車輛熄火時不消耗能量， 并根據(jù) 48V 和 12V 電池的充電狀態(tài)以正確的模式喚醒。

大型 MHEV 車輛中的 24V 系統(tǒng)

48V 輕度混合動力的吸引力不僅限于乘用車， 由于共同致力于減少排放， 它對商用車和農(nóng)用車(CAV) 也具有重要意義。

輕度混合動力公交車在歐洲越來越受歡迎， 我們可以看到它們被城市采用， 在公共交通中取代柴油公交車。

在卡車、 公共汽車和軍用車輛等大型車輛中， 車輛的長度和電子負(fù)載的功耗是將 24V 電壓作為主電壓網(wǎng)絡(luò)的首要因素。對更高功率的需求、 較長電纜導(dǎo)致的銅材料成本增加以及由此導(dǎo)致的壓降是使用 24V 代替 12V 的部分原因。

與小型乘用車中的應(yīng)用類似， 大型車輛的一個關(guān)鍵要求是為較低電壓的 24V 網(wǎng)絡(luò)供電。乘用型 MHEV 汽車的 DCDC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在降壓模式(將 48V 降壓至 24V) 和升壓模式(升壓) 下工作， 也適用于大型車輛， 但在選擇元器件時必須考慮更高的性能、 功耗和較長電纜的需求。

標(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)性

符合 ISO 26262 這一國際功能安全標(biāo)準(zhǔn)， 對于開發(fā)道路車輛的電氣和電子系統(tǒng)至關(guān)重要。該標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是最大限度地減少由車輛系統(tǒng)故障引發(fā)的風(fēng)險， 解決軟件故障、 傳感器錯誤和硬件故障等潛在危險。

針對電動汽車中的 48V 系統(tǒng)、 元器件及其測試的具體標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出現(xiàn)， 首個標(biāo)準(zhǔn)是 LV148， 該標(biāo)準(zhǔn)后來被德國 VDA320取代?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為 ISO 21780:2020， 它取代了 VDA320。有關(guān)電動汽車安全和測試的其他標(biāo)準(zhǔn)還包括 ISO 6469 和 ISO21498。

48V 網(wǎng)絡(luò)的元件冗余對于確保電力系統(tǒng)的可靠性和彈性至關(guān)重要。這將是開發(fā)和更廣泛采用 48V 系統(tǒng)的驅(qū)動因素之一。在單個元件發(fā)生故障時， 冗余元件可作為備份， 防止整個系統(tǒng)中斷。這對于關(guān)鍵安全系統(tǒng)(如控制制動、 轉(zhuǎn)向和安全氣囊系統(tǒng)) 尤為重要。

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通過確定集成電路和其他車用元件的安全要求， 公司能夠提供最佳架構(gòu)和解決方案。同時關(guān)注重要的故障模式及其預(yù)防。

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