在設(shè)計雙電壓汽車電源系統(tǒng)時需哪些考慮影響因素

在更高功率水平下提高效率的需求促使人們轉(zhuǎn)向48伏電源軌以減少提供給定功率時所需的電流。然而，過渡到48伏系統(tǒng)并不像安裝更大的電池和發(fā)電機(jī)那么簡單。

本文將討論為什么汽車需要48伏鐵路以及在引入新DC之前對整個系統(tǒng)的影響/DC轉(zhuǎn)換器可以大大簡化具有雙電壓（12/48 V）功能的電源系統(tǒng)的設(shè)計。然后，它將專注于其他關(guān)鍵的48伏組件和系統(tǒng)架構(gòu)，包括用于新型48伏鋰離子電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）。

為什么汽車需要升至48伏

汽車電力需求的增加使12伏電源變得緊張。使用12伏電源軌，每千瓦需求將需要大約80 A的電流。同樣在低溫下，靜載部件可以解釋交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的全部功率，最高可達(dá)3 kW。高電流也會轉(zhuǎn)化為更高的損耗，這與提高效率的需求相反，以滿足嚴(yán)格的2020年燃料消耗行業(yè)目標(biāo)，其范圍從5.0到6.0 L/100 km，具體取決于位置。

為了提高更高功率水平的效率，汽車設(shè)計人員正在轉(zhuǎn)向48伏電源軌，減少了提供給定功率時所需的電流。這種更高電壓的網(wǎng)絡(luò)可以在相同甚至更窄的電纜直徑下支持更高的負(fù)載（高達(dá)10 kW），從而減小電纜尺寸和重量。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榻裉斓母叨塑囕v可以有超過4公里的布線。

在遷移到48伏時，設(shè)計人員應(yīng)考慮的一種配置是采用基于傳統(tǒng)鉛酸的12伏電動分支電池，然后添加48伏鋰離子電池為單獨(dú)的48伏分支供電（圖1）。許多汽車公司已經(jīng)支持這種方法。

圖1：48 V系統(tǒng)采用新型鋰離子蓄電池。凌力爾特公司的LTC3871 DC/DC轉(zhuǎn)換器集成了12伏和48伏電氣系統(tǒng)。 （來源：凌力爾特公司）

例如，12伏系統(tǒng)可處理傳統(tǒng)負(fù)載，如照明，點(diǎn)火，信息娛樂和音頻，電動車窗和門鎖。 48伏系統(tǒng)支持更重的負(fù)載，如主動底盤系統(tǒng)（可調(diào)懸架），空調(diào)壓縮機(jī)，電動增壓器/渦輪增壓器和再生制動。啟動內(nèi)燃機(jī)（ICE）的動力將由48伏電氣系統(tǒng)中的鋰離子電池供電，這將使停止/啟動操作更加順暢。

48伏技術(shù)的目標(biāo)是傳統(tǒng)的ICE汽車以及混合動力電動和輕度混合動力汽車。輕度混合動力車使用配備電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的并聯(lián)配置的ICE，允許發(fā)動機(jī)在滑行，制動或停止時快速關(guān)閉并重新啟動。

電動增壓將用于將使用集成的起動發(fā)電機(jī)（ISG）與ISG的交流發(fā)電機(jī)（圖1）或皮帶驅(qū)動的起動發(fā)電機(jī)（BSG）相結(jié)合。它采用電動機(jī)通過卷帶為ICE的曲軸提供動力。這對應(yīng)該使汽車制造商能夠?qū)⒐β侍岣?0％，同時減少15％的二氧化碳排放量，從而有助于達(dá)到更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。例如，歐盟2020年的汽車和貨車標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從2021年開始，制造商的車隊的二氧化碳排放目標(biāo)為95克/公里，超過這些限制將面臨經(jīng)濟(jì)處罰的威脅。

然而，在短期內(nèi)，新的48伏系統(tǒng)將以12伏并排運(yùn)行。 48伏總線僅提供需要高功率輸入和輸出的功能。需要一個DC-DC轉(zhuǎn)換器（圖1）來處理功率為300 W至5 kW的雙向能量流，并允許電池電源在兩個電壓域之間分配。

DC/DC轉(zhuǎn)換器要求

雙電壓系統(tǒng)中DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要功能是在兩個子系統(tǒng)之間傳輸能量。由于它主要將能量從48伏系統(tǒng)傳輸?shù)?2伏電平，因此主要用作降壓轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器工作的轉(zhuǎn)換器的情況通常只涉及部分負(fù)載要求，以確保正常的48伏操作。

在極低溫度下，鋰離子電池可能無法提供足夠的能量來啟動發(fā)動機(jī)，并且因此，12伏鉛酸電池可以起作用，使用雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器從48伏和12伏電池組合為BSG供電。當(dāng)ICE運(yùn)行時，典型的起動發(fā)電機(jī)可以向48伏系統(tǒng)輸入高達(dá)15千瓦的功率。反過來，DC/DC轉(zhuǎn)換器將部分能量轉(zhuǎn)移到12伏系統(tǒng)，為其組件供電并為鉛酸電池充電。

DC/設(shè)計可以有多種選擇適用于48伏應(yīng)用的直流轉(zhuǎn)換器，具體取決于要求。除轉(zhuǎn)換器性能外，其他重要要求包括功率損耗（效率），封裝空間/容量，單向或雙向功率傳輸;和功能安全。奧迪，寶馬，戴姆勒，保時捷和大眾汽車提出的LV148標(biāo)準(zhǔn)定義了48伏電源系統(tǒng)的要求，包括其功能和接口。

LV148標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)應(yīng)用于2017款車型。任何考慮48伏設(shè)計的設(shè)計師都應(yīng)該參考這個規(guī)范。它描述了新48伏組件的所有相關(guān)電氣要求和測試程序。請注意，它還規(guī)定直流電壓<60伏時不需要電擊保護(hù)，因此不需要高壓互鎖系統(tǒng)（HVIL）。為了滿足LV148的要求，設(shè)計人員可以從凌力爾特公司的LTC3871開始，這是一款100 V/30 V雙向，兩相同步降壓或升壓控制器，適用于48 V/12 V汽車雙電池系統(tǒng)。

LTC3871在降壓模式下工作，從48伏總線到12伏總線，或在升壓模式下工作在12伏到48伏（圖2），使用控制信號輸入選擇模式。多達(dá)12個相可以并聯(lián)和異相時鐘，以最大限度地減少高電流應(yīng)用（高達(dá)250 A）的輸入和輸出濾波要求。使用12相設(shè)計，可在降壓模式或升壓模式下提供高達(dá)3 kW的功率。

啟動汽車或需要額外電源時，LTC3871允許兩個電池同時供電，并且仍然能夠達(dá)到97％的效率。

為了調(diào)節(jié)可以向任一方向傳遞到負(fù)載的最大電流，使用了四個片上編程循環(huán)。有兩個用于電流，兩個用于電壓，可以控制48伏或12伏網(wǎng)絡(luò)上的電壓和電流。

圖2：多個LTC3871芯片 - 最多12個相位 - 可以并聯(lián)和時鐘異相，以最大限度地減少輸入和輸出濾波，適用于需要高達(dá)250 A的應(yīng)用。（來源：Linear Technology）

LTC3871運(yùn)行在可選固定頻率在60和460 kHz之間，可以在同一范圍內(nèi)同步到外部時鐘。設(shè)計人員可以在輕負(fù)載期間選擇連續(xù)操作或脈沖跳躍。其他功能包括過載和短路保護(hù)，降壓和升壓的獨(dú)立環(huán)路補(bǔ)償，溫度范圍內(nèi)±1％的電壓調(diào)節(jié)精度，以及欠壓和過壓鎖定。

請注意，與汽車設(shè)計中使用的幾乎所有元件一樣，LTC3871已符合AEC-Q100汽車規(guī)范的要求。

48伏電池管理

當(dāng)使用48伏汽車系統(tǒng)所需的新型鋰離子電池時，設(shè)計人員需要選擇比鉛酸所需的更復(fù)雜的電池管理和診斷系統(tǒng)電池。鑒于安全要求和正確充電鋰離子電池所涉及的許多細(xì)節(jié)，最好是四處尋找現(xiàn)成的解決方案而不是從頭開始拼接。

一些核心要求是解決方案需要解決的問題包括：

測量電池組電壓，單個電池電壓和電流

電池平衡

12伏與48之間的分離電壓域

48伏域的故障安全斷開

ams為48伏汽車電源總線提供了一種解決方案（圖3）。

圖3：ams不是從零開始設(shè)計電池測量系統(tǒng)（BMS），而是提供現(xiàn)成的48伏BMS基于其AS8510包監(jiān)視器和AS8506單元監(jiān)視器。該組合可提供精確的電池平衡和低元件數(shù)，同時節(jié)省開發(fā)時間。 （來源：ams）

在BMS中，測量的電池組電壓，單個電池電壓和電流數(shù)據(jù)用于將電池維持在其安全工作參數(shù)范圍內(nèi)。這一點(diǎn)越來越重要，因?yàn)榕鋫渥詣訂?停止功能的現(xiàn)代汽車要求電池的充電狀態(tài)（SOC）保持在不低于50％。

監(jiān)控鋰離子電池的最佳方法電池的SOC用于測量開路電壓以建立測量起點(diǎn)，然后執(zhí)行“庫侖計數(shù)” - 測量離開電池時的總電流。這要求電壓通道具有非常高的精度，以及無偏移的電流測量路徑。

為了測量電池組電壓并確定其充電狀態(tài)，ams BMS使用AS8510數(shù)據(jù)采集IC，如圖所示如圖3左側(cè)所示。該電池傳感器接口集成了信號調(diào)理功能和兩個16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。它的精度達(dá)到0.2％。

同樣的傳感器接口也實(shí)現(xiàn)了庫侖計數(shù)，但為此需要與100μΩ錳銅分流電阻配對。 AS8510的特性與此特定分流器相匹配，因此設(shè)計人員可在整個汽車溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.5％的系統(tǒng)級精度，并在整個測量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零偏移。

電池平衡

在每個電池中，從一個電池到另一個電池存在隨機(jī)變化，這意味著一些電池在其他電池之前完全充電。電池管理的目標(biāo)是確保所有電池保持相同的充電狀態(tài)。

ams AS8506使用內(nèi)部同步的無偏移比較器在本地決定需要平衡的單元（圖4）。與傳統(tǒng)的電池平衡設(shè)計不同，該系統(tǒng)不需要微控制器。

圖4：ams AS8506在本地進(jìn)行電池平衡決策，因此設(shè)計人員無需添加和編程微控制器來處理任務(wù)（來源：ams）

其他48伏系統(tǒng)設(shè)計考慮因素

48伏鋰離子電池和12伏電壓 - 酸性電池，輸入和輸出電壓將更高，這意味著需要使用更高的擊穿電壓組件。此外，由于較高的電壓，腐蝕將成為一個問題。這意味著開關(guān)將需要更昂貴的金屬，并且彈簧加載的觸點(diǎn)將必須更快地分離以降低可能導(dǎo)致大量熱損壞的電弧放電的風(fēng)險。由于電弧放電的風(fēng)險較高，需要通過電子電池斷開開關(guān)切換和保護(hù)48伏輸出到環(huán)境中，以便在不同的車輛模式下進(jìn)行輸出控制。

英飛凌科技等MOSFET其OptiMOS系列的IPB180N10S402ATMA1CT-ND通常用于48伏系統(tǒng)作為功率輸出級IC。在48伏特時，它們在開關(guān)和傳導(dǎo)損耗方面優(yōu)于IGBT。

48伏技術(shù)的無源元件必須符合與12伏汽車電氣系統(tǒng)中使用的元件相同的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，例如工作溫度范圍為-40°C至150°C，以及抗沖擊和振動。此外，它們還必須使損耗最小化，因此DC/DC轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到高達(dá)98％的效率水平。

結(jié)論

在車輛中引入額外的48伏電壓將使動力傳動系統(tǒng)組件（例如油泵和水泵以及渦輪增壓器或超級充電器）能夠從機(jī)械動力切換到電動動力。 48伏系統(tǒng)還有助于減少二氧化碳排放，并有助于汽車制造商滿足更嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)。

然而，需要認(rèn)真考慮12伏和48伏電力系統(tǒng)的共存，以及設(shè)計與使用鋰離子電池有關(guān)的問題，如安全性，效率和測量精度。對于許多設(shè)計人員而言，最好和最便捷的選擇是使用凌力爾特公司和具有內(nèi)置性能和保護(hù)功能的公司的現(xiàn)成芯片和系統(tǒng)設(shè)計。