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作者：安森美半導體系統設計工程師John Grabowski 前言 隨著(zhù)全球各地對環(huán)境狀況（特別是空氣質(zhì)量）這一問(wèn)題的關(guān)注日益提升，汽車(chē)的CO2排放量需要通過(guò)減少汽車(chē)的平均油耗來(lái)降低。實(shí)現這一目標的方法之一就是采用混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機，而不是純內燃發(fā)動(dòng)機（ICE）動(dòng)力汽車(chē)。 在典型的汽車(chē)中，牽引動(dòng)力系統必須能夠在非常寬泛的功率和速度條件范圍內運行，這通常以“轉矩-速度”范圍來(lái)表示�；旌蟿�(dòng)力系統的采用讓系統設計者能夠自由地在不同的轉矩-速度范圍內，以?xún)?yōu)化每項系統性能的方式，對多重動(dòng)力源進(jìn)行布置。電動(dòng)力源可提供非常高的轉矩，且在加速汽車(chē)時(shí)非常有用，但它僅在有限的時(shí)間段內可用。所涉及的具體時(shí)間取決于電池大小和電機的轉矩輸出。借助這種可產(chǎn)生動(dòng)力源的高轉矩，ICE尺寸得以顯著(zhù)縮小。這使其燃油能效也大大提升。然而，添加電動(dòng)力源當然并非簡(jiǎn)單的工程問(wèn)題，需要一種有關(guān)許多汽車(chē)系統設計考量的方法。 傳統上，通過(guò)添加高壓（〜350V）電池和直接耦合至ICE動(dòng)力系統的高性能電機，電氣化已經(jīng)得以實(shí)現。這些'全'混合動(dòng)力汽車(chē)的定義類(lèi)別一直是節能汽車(chē)，且從提升能效角度看也頗具吸引力。但是，它們也使汽車(chē)的成本和重量大大增加。 最近，48V汽車(chē)系統架構得到了相當多的關(guān)注。這些系統可以說(shuō)是是向著(zhù)全混合動(dòng)力汽車(chē)前進(jìn)的一步。通常情況下，稱(chēng)它們?yōu)椤拜p度混合動(dòng)力（Mild Hybrids）”，但當在更低的功率級別下設計時(shí)，也可歸類(lèi)為“微混合動(dòng)力（Micro Hybrids）”。它們采用相對緊湊的48V電池、高性能電機、以及至少一個(gè)額外的48V電氣化子系統。48V系統更低的成本使其在許多汽車(chē)OEM廠(chǎng)商眼中頗具吸引力，它們很快將成為大多數汽車(chē)制造商產(chǎn)品組合中的一部分。 48V架構 48V架構的選擇寬泛，且在不斷增加。最基本的系統包括一塊電池、一個(gè)起動(dòng)發(fā)電機、一個(gè)48V至12V轉換器，且通常至少有一個(gè)48V負載。由于48V汽車(chē)仍然保留12V電池和多個(gè)12V負載，因此目前這些系統可能會(huì )以雙電壓系統的形式存在。 
圖1.典型48V輕度混合系統電氣拓撲結構 憑借這些雙電壓系統，大量的新配置成為可能。由于48V系統基本上能夠提供更高的功率水平，因此它將支持全新更高功率的外設，如48V E-Turbo和48V E-Roll穩定系統。此外，更高的功率可用性將推動(dòng)耗電的12V負載遷移至48V總線(xiàn)，以充分利用更高的能效。 起初，雙電壓系統的12V系統側將保持原樣，減去12V交流發(fā)電機。由于沒(méi)有12V電源的發(fā)電源，因此需要有一個(gè)轉換器負責將48V產(chǎn)生的電力轉移到12V側。盡管轉換器需要高能效，但它仍會(huì )對所有12V負載施加損耗懲罰，因其需要通過(guò)轉換器獲取電源。在增加的損耗和功率限制之間產(chǎn)生了強大的誘因，能夠將12V外設移至48V運行。 這些轉換器在設計上為雙向的，在高需求期間可同時(shí)使用兩種電池。雙向轉換器能夠將來(lái)自任一電池的電源轉換到另一電池，并且可能存在于未來(lái)某一段時(shí)間內。 除冗余之外，保留12V啟動(dòng)器并沒(méi)有技術(shù)上的原因，將其拆移除可能會(huì )成為未來(lái)的趨勢。如果不再需要它，那么12V電池的尺寸能夠顯著(zhù)減小，甚至可以完全移除。但這將是一個(gè)大膽的舉動(dòng)，需要非常謹慎地對轉換器進(jìn)行設計。 對于48V系統側，起動(dòng)發(fā)電機是主要部件。它負責汽車(chē)所有電力生成、以及汽車(chē)起動(dòng)。它還能在汽車(chē)制動(dòng)期間執行再生能量回收。在此模式下，機器作為發(fā)電機為動(dòng)力系統提供負轉矩，減慢車(chē)速并恢復電池電量。起動(dòng)發(fā)電機有多種配置和功率級別，每個(gè)都有著(zhù)非常具體的實(shí)施目標。 混合動(dòng)力領(lǐng)域采用了一個(gè)簡(jiǎn)寫(xiě)代碼來(lái)確定電機在底盤(pán)子系統中的位置。該系統通過(guò)使用一組Px指示器來(lái)生成標簽，指示電機與動(dòng)力系統耦合的每個(gè)位置。指示器（P0至P4）的數值在功率插入點(diǎn)穿過(guò)車(chē)尾時(shí)會(huì )上升。
圖2. Px混合系統術(shù)語(yǔ)和示例功率級別 由于BSG的插入點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機的前端附件驅動(dòng)（FEAD）處，因此BSG的功率級別是最小的，其中轉矩的傳輸必須通過(guò)鋼帶連接。由于其通過(guò)鋼制齒輪耦合，所以底盤(pán)的其余插入點(diǎn)（P2-P4）都具有更高的功率水平。另外，更高功率的機器具有能夠為ICE提供牽引輔助的附加功能。這意味著(zhù)除了由ICE提供的動(dòng)力之外，電動(dòng)力源還也能夠提升汽車(chē)的加速度。在某些配置下，可以想象在ICE關(guān)閉的情況下，汽車(chē)單靠電動(dòng)力源即可開(kāi)動(dòng)。這取決于電機可用的牽引輔助量及其在底盤(pán)子系統中的位置。 48V子系統 雙電壓系統需要增加48V至12V電源轉換器。在沒(méi)有12V交流發(fā)電機的情況下需要為12V系統供電，就需要該組件。由于需要雙向行為和高能效，所以需要專(zhuān)門(mén)的設計方法。這些轉換器的典型功率范圍在1kW至3kW范圍內，為了在這樣的大功率范圍內保持高能效，多級降壓-升壓轉換器是當前最流行的拓撲結構。降壓拓撲結構允許電力從較高電壓側流向較低電壓側。與之類(lèi)似地，升壓拓撲允許反方向的功率流動(dòng)。多級設計允許共享許多單獨的轉換器子電路，以組合成一個(gè)高功率設計。在轉換器輸出負載很重的情況下，所有的子電路都能夠工作。當轉換器輸出輕負載時(shí)，許多子電路將被關(guān)斷，從而提供更低的損耗和更高的能效。 能想得到的48V負載有多種多樣，而許多較高的功率負載無(wú)法通過(guò)12V系統實(shí)現。其中最高的是電控增壓器。由于增壓器需要在幾分之一秒內加速到極高的速度，因此需要相當高的瞬態(tài)功率。典型的增壓器驅動(dòng)包括一個(gè)低慣性三相電動(dòng)機，由一個(gè)三相逆變器驅動(dòng)。盡管平均功率相對較低，但峰值功率可達8kW以上。如此寬泛的功率范圍配置可完美匹配48V系統。許多其它汽車(chē)子系統也非常適合48V架構，無(wú)論是單相還是三相配置。圖3中列出了可能的48V負載。
圖3. 輕度混合子系統組件摘要 其它48V系統 48V電池系統由鋰離子電池構成，相較于鉛酸電池，它需要更多的注意和處理。鑒于此，48V汽車(chē)需要電池管理系統（BMS）。該系統負責監控電池電壓和電池溫度，以便能夠安全地為電池充電。由于48V系統具有再生能力，這種情況也變得更為復雜。當汽車(chē)電池的剩余電量足夠低時(shí)，可發(fā)出再生指令，但是對BMS的控制需要非常謹慎，這對于防止過(guò)充或過(guò)熱至關(guān)重要。 48V電路對熔斷和接觸也有更為復雜的要求。目前尚不確定，如果用于48V系統，12V刀片式保險絲能否提供足夠的電弧防護。而且，由于48V系統所需的繼電器觸點(diǎn)距離將大于12V系統所需的，因此需要重新設計保險絲和繼電器。由于這些組件的要求都可以通過(guò)采用半導體器件輕松滿(mǎn)足，所以這些問(wèn)題很可能通過(guò)電子方案來(lái)解決。 結論 將48V系統添加到12V汽車(chē)將讓設計人員有機會(huì )實(shí)現當今汽車(chē)所需的燃油能效提升。它還將大大增加對新型創(chuàng )新的電力電子電路的需求，雖然48V架構的許多變體將會(huì )出現，但最終的評判將在汽車(chē)客戶(hù)權衡特性?xún)?yōu)勢與成本之后得出。 |
