汽车制造商拥抱48V轻混系统

Ed+Kohler

摘要：全球的汽车制造商已经开始推出采用新48V电源子系统的汽车。本文就48V电源子系统相关性能及系统优势进行了详细介绍，同时介绍了一款12V/48V电源系统及双向DC/DC同步PWM控制器ISL78226。

关键词：48V电源子系统；ISL78226；功率转换

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.8.005

引言

全球的汽车制造商都开始推出采用新48V电源子系统（亦称board net）的汽车。首先是欧洲OEM厂商，如奥迪在其SQ7 TDI型号的车上装备了48V系统。该系统为电动压缩机和机电式主动侧倾稳定系统供电，其中，前者可消除涡轮迟滞。后者可改善驾乘和操作性能。48V的推广现已在全球展开，包括吉利和中国一汽集团在内的众多中国OEM厂商宣布，将在未来几年推出48V轻混汽车，意大利—美国OEM厂商菲亚特克莱斯勒也有类似计划，韩国OEM厂商现代和双龙也已展示了48V轻混系统。

法规推动轻混系统的推广

48V子系统确实会增加汽车成本，但其得到广泛接受的事实表明，汽车制造商认可它是实现更低C0₂排放、提升燃油经济性和增强汽车驾驶性能的一条途径。C0₂排放和燃油经济性监管要求正在推动48V轻混系统的采用。达不到这些指标的OEM会受到严厉处罚。图1显示了全球各地颁布的C0₂排放限值。在美国、欧洲、中国和韩国，汽车制造商需要在未来十年使其汽车C0₂排放减少22%～6%，以符合现行法规。

图2显示了燃油经济性指标。为了达到这些指标，汽车制造商必须在未来10年内使燃油经济性提升24%-49%。在法规变得越来越严格的同时，全球范围内也在进一步加紧提高道路循环试验对实际行车条件的代表性。随着试验方法的改进，汽车制造商将会发现更难达到上述法规要求。

鉴于日益严格的法规和更加严厉的违规处罚，汽车制造商都在积极开发有助于减少C0₂排放和改善燃油经济性的技术。所以48V轻混系统迅速得到采用并不令人惊讶，因为它能够以相对较低的增量成本使小型车的排放减少10%-15%，大型车减少15%-20%。48V系统详解

如图3所示，48V系统通常由几个核心部件组成，包括48V电池、48V启动器/发电机和12-48V DC/DC转换器。一般选用48V锂离子电池为该板网（boardnet）提供蓄能，这是因为锂离子电池具有高蓄能—重量比（能量密度）和快速充电能力，可帮助实现高效的再生制动系统。48V启动器/发电机可取代12V交流发电机和12V启动器。它在启动引擎后充当发电机，将内燃机的转动能转化为电能。制动期间，汽车的动能使发电机运转，并产生大概12-15KW功率，同时使汽车减速。根据启动器/发电机集成到动力总成系统的方式的不同，它也可能在加速期间提供助推或扭矩辅助。 最后，使用12V/48V双向DC/DC转换器将现有12V板网连接到新的48V板网。12V/48V DC/DC转换器通常可从48V系统向12V板网提供最大3.5KW功率，为现有汽车电子供电。在有些情况下，12V板网也必须通过12V/48V DC/DC为48V电子部件供电，因而需要双向电能输送。48V子系统除了这三个共有部件外还可添加其他部件，如电动压缩机、电机式侧倾稳定、电动挡风玻璃清洁和各种电动机，以支持水泵和冷却风扇等功能。

减少C0₂排放，提升燃油经济性

如上所述，汽车制造商增加48V板网可获得的主要优势之一是减少C02排放和提升燃油经济性。影响因素包括增加48V启动器/发电机，与标准12V系统相比，这可显著改进启停系统。48V启动器可将发动机启动时间从传统12V系统的1-2秒缩短到仅仅两百毫秒。所以，与12V启停系统需要保持发动机运转才能提供快速加速和立即重启不同，48V系统允许发动机在此期间停止运转。48V电池的附加容量还允许发动机停止更长的时间，同时仍然保持一些功能，如车内环境控制和信息娱乐系统。此外，48V启动器能提供助推或扭矩辅助，从而减小内燃机上的荷载，以提高加速效率。与典型的2KW交流发电机相比，12-15KW启动器/发电机能够在汽车制动时捕获更多动能，且锂离子电池能够更好地快速储存回收的能量，从而显著改善再生制动的效果。

缩小发动机尺寸，提升驾驶性能

通过缩小内燃机尺寸和添加48V增压器来提供额外功率提升，以获得更出色的加速性能，汽车制造商实现了又一项显著改善而不影响汽车驾驶性能。标准12V涡轮增压汽车也通过缩小发动机尺寸来改善效率，但与机械驱动系统有关的涡轮迟滞和发动机转速低时无助力可用，导致驾驶体验令人不甚满意。采用48V增压可在发动机的任何转速下提供几乎瞬间的助推，消除了对驾驶性能的负面影响。在12V系统转换到48V系统时，重量减轻还有其他好处。典型情况下，供电线束可将提供相同电能所需的电流减小4倍，且使用48V系统的电机远轻于使用传统12V系统的电机。新48V系统的重量增加有小的负面影响（在其不取代现有12V系统情况下）：但该影响不会削弱整体性能改进。

48V系统不仅可以减少C02排放和提升燃油经济性，汽车制造商还相信消费者将会重视其对驾驶性能的改善。奥迪已证明使用48V电动压缩机能够提升离线加速度。电动压缩机转速可在250毫秒内增至每分钟70000转，几乎在瞬间提供扭矩—助力，甚至在低发动机转速时亦能如此。与传统12V启动器相比，使用48V啟动器/发电机时，发动机启动时间更短，振动更小。使用48V的启停系统也改变了人们对于这些系统烦人且不允许驾驶员做出必要的瞬间决定（如驶入高速车流）的认识。双向DC/DC控铜j器助力12V-48V系统

12V/48V电源系统需要的唯一附加元件是功率相对较高（最大3.5KW）的双向DC/DC转换器（如图4所示），以作为48V和12V系统之间的桥梁。以前的DC/DC转换器仅支持单向运行，且功率只有几百瓦甚至更小，这是一个主要挑战。好在。Intersil的新型控制器可提供12V和48V板网间的双向DC/DC转换，并可进行扩展，以提供从不足1KW到3.5KW以上的功率。

ISL78226是一款6相12V/48V双向同步PWM控制器，专为解决在12V与48V电源系统之间实现高功率双向电桥的挑战而开发。为满足这个新要求，一级汽车供应商起初必须使用原本用于其他应用的现有器件来构建相应的系统。方法之一是使用DSP来实现可用于驱动多相半桥功率转换级的数字电源算法。这种方法虽然灵活，但需要深厚的控制理论知识，以及隐含的全面和长期固件支持。另一种方法是将两个单向控制器与数个多路复用器和一个微控制器结合起来，以启动合适的路径。这种方法需要冗余元件，导致最终解决方案大而复杂。

ISL78226是一个执行双向DC/DC功率转换的单一模拟控制器，避免了以上替代方法的缺点。它最多可控制6个相，并自动改变活跃相的数量，以适应输出要求的负载，从而使DC/DC转化效率最大化。单个ISL78226 IC通常可支持最大3.75KW功率转换，但可将多个IC结合起来管理更多相数，以支持功率更大的系统。当通过并联使用来进行更大的功率转换时，这些IC可协调相对相电流平衡和错误响应。该控制器可调节输出电压（降压模式下12V或升压模式下48V），并包括一个简单的跟踪接口，有助于通过数字PWM信号或模拟基准源（analog reference）来调节输出电压。在调节输出电压时，该器件可主动平衡每个功率级相的平均电流。这有助于补偿损耗和防止在某个相形成热点，例如在电感器等元件失配时。

另外，ISL78226还可以调节最大平均电流，以限制在任一方向上的电能输送量。这可保护DC/DC转换器以及汽车的整个电网。它还允许在12V电池或48V电池直接连接到输出的应用中进行恒流充电。该控制器包括一个提供系统控制和诊断的PMBus数字接口，可帮助实现功能性安全目标，并有足够的故障覆盖率。另外它还允许系统在条件超出警告阈值时采取预防措施，并在发生严重错误或故障时，可以对控制器进行配置，以允许汽车以跛行模式行驶。

结论

汽车OEM厂商非常欢迎48V电源子系统并将其用于新车研发。有几家汽车制造商已宣布将会推出48V轻混汽车。增加一条电源总线的推动力是通过轻混技术提升燃油经济性和减少C02排放，同时提升汽车的驾驶性能。48V板网可实现汽车制造商的所有目标，同时其成本优势使它比全混技术更有可能实现大规模采用。endprint