汽车行业迎来大转变,48V汽车电源系统将成为新标准

分享到:

48V电源系统:不只是HEV/EV的专属,有望成为未来汽车新标准

无论每年销售多少辆汽车,车用电子组件市场都将继续增长。对混合动力和全电动汽车的追求是促进这一市场增长的催化剂。用电池作为电源日益流行,与此同时,还需要最大限度延长电池的使用寿命。电池失衡以及组成电池包的各节电池的充电状态失配,是大型锂离子电池包的问题,这是由制造过程中的各种变化、运行条件和电池老化造成的。电池失衡可能减小电池包的总容量,并有可能损坏电池包。失衡妨碍电池跟踪充电状态和放电状态,而如果充电状态和放电状态未得到密切监视,可能导致电池过度充电或过度放电,这将永久性地损坏电池。

电池无论是用于混合动力/电动汽车 (HEV) 的电池包,还是用于电动汽车 (EV) 的电池包,通常电池制造商都会针对容量和内部阻抗对电池分类,以减少交付给客户的任一给定批次电池之间的差异。然后,用经过仔细选择的电池构成汽车电池包,以改善电池包中电池之间的总体匹配度。理论上,这么做应该能够防止电池包中产生大幅度失衡,但是尽管如此,当构成大型电池包时,仍然需要电池监视和电池平衡,以在电池包的寿命期内保持较大的电池容量。正是由于能够满足这种需求,ADI 新的电池管理系统 (BMS) 产品才得到了好评,成为目前在产轿车和公共汽车中为数不多的成熟 BMS 产品之一。

此外,电池不再是仅用于 HEV 或 EV 的东西了,新提出的汽车标准 LV148 使某些 2017 款汽车整合了辅助 48V 总线和现有 12V 系统。48V 轨包括一个集成式启动发电机 (ISG) 或带式启动发电机、一个 48V 锂离子电池以及一个用于从 48V 和 12V 组合式电池提供高达 10kW 可用电能的双向 DC/DC 转换器。这种技术面向传统内燃机汽车以及混合动力电动车和轻度混合动力汽车,因为汽车制造商要努力满足日益严格的 CO2 排放目标。

 

Analog Devices公司电源产品市场总监Tony Armstrong


48V电源系统已在路上,燃料经济性大幅度提高

对于以上探讨的新标准而言,12V 总线将继续给点火、照明、信息娱乐和音频系统供电。48V 总线将为主动底盘系统、空调压缩机、可调悬挂系统、以及电子超级电容器 / 涡轮增压机供电并支持再生制动。预计不久一系列生产型号的汽车就会提供 48V 总线,额外使用这条 48V 总线的决定还能够支持发动机启动,这会使停-启运行更平滑。此外,电压越高,意味着所需电缆横截面越小,因此电缆的尺寸和重量都减小了。如今的高端汽车可能有超过 4km 长的配线。汽车将变得更像 PC,为使用大量即插即用型设备创造了可能性。平均而言,远距离上下班往返的人一天有 9% 的时间在车里度过。因此,将多媒体和远程信息处理引入汽车可以提高生产率,并提供额外的娱乐。

48V 电池系统的未来近期就会实现。按照一些汽车制造商的说法,就内燃机车辆而言,基于 48V 的电气系统的燃料经济性可提高 10% 至 15%,因此降低了 CO2 的排放量。

此外,使用 48V/12V 双系统的未来汽车将允许工程师集成独立于发动机负载运行的电升压器技术,因此改善了加速性能。已处于高级开发阶段的压缩机放置在感应系统和冷热气自动调节机之间,并用 48V 支持涡轮增压机旋转。


克服双向降压/升压技术节点


对于用 12V 和 48V 电池运行的双向降压型和升压型 DC/DC 转换器而言,目前是有需求的。这类 DC/DC 转换器可用来给这两种电池的任一种充电,如果需要,还允许两种电池给相同的负载提供电流。大多数早期的 48V/12V 双电池 DC/DC 转换器设计都使用不同的电源组件对电压进行升压和降压。因此,ADI 设计和开发了 LTC3871,这是一款双向 DC/DC 控制器,升压转换时使用的外部电源组件与降压时相同。

LTC3871 是一款 100V/30V 双向、两相同步降压型或升压型控制器,在 12V 和 48V 电路板网络之间提供双向 DC/DC 控制和电池充电。该器件从 48V 总线到 12V 总线以降压模式运行,或者从 12V 至 48V 以升压模式运行。任一模式都可通过所加的控制信号按需配置。多达 12 个相位可以并联并采用不同相的时钟,以针对大电流应用 (高达 250A) 最大限度降低输入和输出滤波要求。并联时,其先进的电流模式架构在相位之间提供出色的电流匹配。采用 12 相设计可在降压模式或升压模式提供高达 3kW 功率。

当启动汽车或需要更大电力时,通过将一个电路板网络的能量转换到另一个电路板网络中,LTC3871 允许同时用两种电池供能。可以实现高达 97% 的效率,内置电流设定环路调节在任一方向上可给负载提供最大电流。4 个控制环路 (两个用于电流,两个用于电压) 在 48V 或 12V 电路板网络中支持电压和电流控制。

LTC3871 以用户可选的 60kHz 至 475kHz 固定频率工作,可同步至一个相同频率范围的外部时钟。在轻负载时,用户可以选择连续运行或脉冲跳跃模式。其他特点包括过载和短路保护、面向降压和升压模式的独立环路补偿、用于提高效率的 EXTVcc、在整个温度范围内 ±1% 的输出电压调节准确度、以及欠压和过压闭锁。LTC3871满足 AEC-Q100 规范要求,并设计为涵盖 ISO-26262 系统的诊断范围。LTC3871 采用耐热增强型 48 引线 LQFP 封装。提供 3 种温度级版本,扩展和工业温度级版本在 –40°C 至 125°C 温度范围内运行,高温汽车级版本在 –40°C 至 150°C 温度范围内运行。以下图 1 显示其典型应用原理图。原理图顶部的 P 沟道 MOSFET 用于过流和短路保护。

 

36588
图:LTC3871 双向充电器 / 电源原理图,26V 至 58V 输入,12V 输出,提供 30A 电流


预计,一些汽车制造商将在其 2018 款新车中首次引入 48V 系统。既然是首次引入,那么出现某些问题也是正常的,就因为是首次引入。然而,这些系统将能够正常发挥作用,制造商会迅速改正所发现的任何问题。