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48V/12V汽車電氣系統(tǒng)高功率轉(zhuǎn)換器

發(fā)布時間:2020-03-23 來源:Mustafa Dinc 責任編輯:wenwei

【導讀】48V 輕混電動汽車面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn),48V/12V 轉(zhuǎn)換器需要靈活滿足未來需求。功率等級至少達到 1.2kW 到 3.5kW 之間,視車型選擇不同。除了功率范圍外,首要任務(wù)是以可擴展概念優(yōu)化成本,因為出售的每款車型配置并不相同。
 
1 調(diào)節(jié)汽車電氣系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換器
 
近年來,主動安全、節(jié)能減排等領(lǐng)域大量應(yīng)用已集成到新車型中。這些應(yīng)用包括起/停系統(tǒng) (微混)、電動水泵、空調(diào)壓縮機、渦輪增壓器、助力轉(zhuǎn)向、翻滾抑制系統(tǒng)、駐車制動器、自動變速器和無真空助力制動器。此外還有 ADAS (雷達、激光雷達、帶超快處理器的攝像頭) 和選擇性催化還原系統(tǒng) (柴油機尾氣處理液等)。因此,調(diào)節(jié)汽車電氣系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換器功率需要達到 1kW,48V/12V 雙向電壓轉(zhuǎn)換器功率高達 3.5kW。
 
開發(fā)人員面臨的問題是:如何搭建 48V/12V 轉(zhuǎn)換器,是否有必要始終為所有車型提供  3.5kW 最大功率? 也就是說,需要 1.2kW 到 3.5kW 功率,取決于車型的選擇配備。在已有 48V 起動發(fā)電機基礎(chǔ)上,汽車制造商推出越來越多配備 48V 皮帶驅(qū)動起動發(fā)電機的柴油汽車。
 
2 42V 電氣系統(tǒng)
 
2000 年,首次嘗試使用 42V 汽車電氣系統(tǒng)因多種原因失敗。因此,從 2003 年開始,用 12V 微混電動汽車取而代之。這種臨時解決方案(起-停系統(tǒng)方案) 可優(yōu)化能耗大約 5%。這項技術(shù)目前已用于 60% 以上的車輛中。12V 汽車電氣系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)最大波動范圍為 3V ( 11V ~ 14V )。這樣可防止其他電氣設(shè)備受負載波動的影響,并避免車輛電氣系統(tǒng)處于危險狀態(tài)。
 
48V/12V汽車電氣系統(tǒng)高功率轉(zhuǎn)換器
圖1:DC/DC 轉(zhuǎn)換器 3.5kW,帶 6 相和 IHDM 電感器(©Vishay)
 
如果電壓降至 11V 最低調(diào)節(jié)范圍以下,系統(tǒng)功率會根據(jù)情況下降。低于 9V 的情況下,其他控制單元將根據(jù)功能和能量要求減速或關(guān)閉。電壓降至 6V 以下會造成車輛電氣系統(tǒng)完全失效。因此,所有微混電動汽車需要 DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器 (圖1) 的功率范圍為  400W 至 1.5kW,以確保起/停功能正常運行,同時不會對車輛中的其他設(shè)備產(chǎn)生負面影響。
 
3 調(diào)節(jié)汽車電氣系統(tǒng)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
 
DC/DC 轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)穩(wěn)壓 12V 微混電動汽車的電氣系統(tǒng),以防重新起動時電氣系統(tǒng)電壓下降。信息娛樂系統(tǒng)、音頻和照明系統(tǒng)連續(xù)不間斷工作。帶分流檢測電阻器的智能電池傳感器可以連續(xù)測量電池功率和耗電量。12V 系統(tǒng)能耗有限。即使采用最大功率發(fā)電機,也無需為額外的動態(tài)大電流系統(tǒng)供電。
 
因此,提高電氣系統(tǒng)的工作電壓,從而可以開發(fā)新的交流發(fā)電機。這為汽車制造商集成其他大功率電氣設(shè)備,進一步提高整車效率提供了極大的靈活性和可能性。這些汽車通常稱為輕混電動汽車 (MHEV)。
 
4 免調(diào)節(jié) 48V 電氣系統(tǒng)
 
與 12V 汽車電氣系統(tǒng)相比, 48V 系統(tǒng)工作電壓范圍為 16V (52V ~ 36V),并且不會進行調(diào)節(jié)。所有 48V 控制單元必須在 16V 電壓擺幅內(nèi)可靠運行。許多設(shè)置和應(yīng)用測試表明,48V 系統(tǒng)中,大于 48V 的動態(tài)電壓上限最長持續(xù) 3秒,而動態(tài)電壓下限持續(xù)時間長達 100 秒。雖然 48V MHEV 不需要電隔離,但由于必要的防觸電保護,因此任何情況下,最大電壓極限不得超過 60V。測試標準為 VDA 320。根據(jù) VDA 320 開發(fā)的部件可在定義的電壓范圍內(nèi)可靠運行。
 
專為 48V 系統(tǒng) (<60VDC 的低壓系統(tǒng))設(shè)計的起動發(fā)電機,峰值功率從 15kW 到 20kW,持續(xù)功率從 5kW 到 10kW。這種48V功能系統(tǒng)可以逐步直接適用于所有大電流應(yīng)用,如空調(diào)壓縮機、風擋除霜器、電動壓縮機 (渦輪增壓器)和 48V PTC 預(yù)熱器。但是,由于成本的原因,車輛中許多低于 600W 的 12V 應(yīng)用還不能轉(zhuǎn)換為 48V。
 
5 雙向電壓轉(zhuǎn)換器
 
MHEV 需要 48V 和 12V 電池 (圖 2)。因此,未來 5 至 10 年,48V 輕混電動汽車需要安裝雙向 48V/12V電壓轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器將取代 12V 交流發(fā)電機。所需功率超過 600W 的電氣系統(tǒng)將逐步轉(zhuǎn)換為 48V 子系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向等動態(tài)系統(tǒng)以及起動發(fā)動機時,必須使用 12V 電池作為緩沖器。
 
啟-停系統(tǒng)仍是減少二氧化碳排放的解決辦法?;旌蟿恿ζ囆枰诙妷?。48V 電動汽車 (MHEV) 二氧化碳排放減少 16%,同時發(fā)動機功率可提高 23%。出現(xiàn)的一大問題是,如何搭建 48V/12V 轉(zhuǎn)換器,是否有必要始終為所有車型提供 3.5kW 最大功率? 也就是說,需要 1.2kW 到 3.5kW 哪個功率等級,取決于車輛選型配置。
 
6 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
 
這種類型的轉(zhuǎn)換器要求非常高。從 48V 輸入 (端子 40) 開始,電壓從 24V 到最大 54V 不等,輸出端 (端子 30) 也面臨嚴峻挑戰(zhàn),工作電壓范圍 6V 到 16V。非常高的輸入電流 (升壓) 和輸出電流 (降壓) 幾乎一樣高,因此不難確定。降壓-升壓電流增加與兩種汽車電氣系統(tǒng)的低電壓成反比。在 3.5kW 降壓-升壓轉(zhuǎn)換中,電流會短暫地變得非常高,尤其假設(shè)在最低輸入電壓時。
 
除了實現(xiàn)高效率面臨的挑戰(zhàn) (>96%) 之外,擴展性和成本優(yōu)化也增加了困難。預(yù)計未來許多車輛—主要是柴油車—將轉(zhuǎn)換為 48V 輕混系統(tǒng),因此應(yīng)以可擴展的電壓轉(zhuǎn)換器策略為目標。有必要針對這些功率值,拓展到 80V 和 100V 新型半導體器件,以及用于存儲和濾波應(yīng)用的大電流電感器。
 
48V/12V汽車電氣系統(tǒng)高功率轉(zhuǎn)換器
圖2:48V MHEV 的簡化圖(©Vishay)
 
Vishay 產(chǎn)品幾乎涵蓋每一種拓撲結(jié)構(gòu) (3、4、6 或 8 相同步整流直流轉(zhuǎn)換器)、IHDM 系列大電流電感器 (圖3) 和 IHLP 系列對稱耦合和不對稱耦合電感器。產(chǎn)品組合還包括對效率影響很大的半導體器件,如功率 MOSFET、最大功率高達 15W的高精度檢流電阻器、瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管。除了 IHDM 系列大電流鐵粉芯線圈濾波器之外,新型  IHSR 貼片電感器是輸出端子 40 (48V) 輸出濾波器眾多選擇中的關(guān)鍵器件。
 
48V/12V汽車電氣系統(tǒng)高功率轉(zhuǎn)換器
圖3:定制降壓-升壓 IHDM 存儲線圈(©Vishay)
 
為實現(xiàn) 3.2kW 功率,端子 40 電流必須達到大約 74A;對于 12V 電源 (端子 30),轉(zhuǎn)換器在 12V 電壓條件下電流為 292A (圖 4)。端子 30 電流約為 300A,選擇多路轉(zhuǎn)換器系統(tǒng),因為它們具有最佳效率/成本/體積比。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器 3.5kW 圖像
 
48V/12V汽車電氣系統(tǒng)高功率轉(zhuǎn)換器
圖4:DC/DC 轉(zhuǎn)換器,6 相,1.5kW,使用 IHLP6767GZ 標準電感器(©Vishay)
 
7 總結(jié)
 
為提供 12V 電壓各種功率級別 (1kW ~ 3.5kW) 性價比極高的系統(tǒng),數(shù)字穩(wěn)壓器是模擬調(diào)節(jié)雙向電壓轉(zhuǎn)換器的首選。理由如下:
 
1 靈活
 
● 局部可變功率設(shè)置
● 軟啟動或數(shù)字電流調(diào)節(jié)
● 故障識別 (通過總線系統(tǒng)通信)和可變相移
● 可擴頻降低電磁干擾 (EMI)
 
2 效率
 
● 部件負載范圍內(nèi)單個相位關(guān)閉
● 利用變頻選擇優(yōu)化效率;理論上:自動效率優(yōu)化,如最大功率點跟蹤 (MPPT) 方
● 單相效率分析—優(yōu)化部件負載策略
 
3 溫度
 
● 部件負載范圍內(nèi)單相循環(huán)滿負荷使用
● 溫度監(jiān)測
● 按需風扇控制
● 各相位負載依溫度分布
 
在電壓高達 60V (端子 40),最大峰值電壓達 70V 的條件下,為了在這功率等級下可靠運行,48V 系統(tǒng)必須采用耐壓至少 80V 的 MOSFET。
 
最后,最大的挑戰(zhàn)是以可擴展概念優(yōu)化雙電氣系統(tǒng)的成本,因為出售的每款車型以及配置并不相同。48V 輕混電動汽車前景預(yù)測極為可觀,到 2025 年,這一配置可能會占到所有車輛的 25%。
 
本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自Vishay威世科技,作者:Mustafa Dinc
 
Mustafa Dinc 現(xiàn)任 Vishay Electronics GmbH 有限公司全球汽車業(yè)務(wù)發(fā)展部執(zhí)行副總裁。
 
 
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