作者：安森美半導(dǎo)體電動(dòng)/混動(dòng)汽車系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理John Grabowski
前言
隨著對(duì)環(huán)境和空氣質(zhì)量狀況越來越多的關(guān)注，需要解決減少車輛二氧化碳?xì)怏w排放的問題。解決此問題最好的辦法是降低車輛的平均油耗。使用混合動(dòng)力汽車，而不是純內(nèi)燃機(jī)(ICE)動(dòng)力汽車，是減少油耗的一種新方法。
在所有道路車輛中，牽引動(dòng)力系統(tǒng)必須能夠在非常寬廣的功率和速度(通常被稱為轉(zhuǎn)矩-速度范圍)條件下運(yùn)行，混合動(dòng)力系統(tǒng)的使用支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在不同的轉(zhuǎn)矩-速度范圍點(diǎn)上自由地優(yōu)化兩個(gè)電源。此電源能夠提供有益于加速的非常大的扭矩，但它只能在有限的時(shí)間內(nèi)使用。具體時(shí)間取決于電池的大小和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。有了高扭矩產(chǎn)生電源，可大大縮小內(nèi)燃機(jī)尺寸，從而提高燃油能效。然而，增加這種混合動(dòng)力源當(dāng)然不是微不足道的工程問題，需要一種方法，包括影響許多車輛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮因素。
功能電子化一般是通過增加高壓(約350 V)電池和高性能電機(jī)直接耦合到ICE動(dòng)力系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。這些‘全’混合動(dòng)力汽車(HEV)一直是燃油能效車輛的定義類，從提高能效的角度，是非常有吸引力的。然而，他們?cè)黾恿讼喈?dāng)大的成本和重量。
近年來，48V汽車系統(tǒng)架構(gòu)受到了廣泛的關(guān)注。這些系統(tǒng)可被認(rèn)為是向全混合動(dòng)力汽車邁出的一步。它們通常被稱為 “輕度”混合動(dòng)力汽車(MHEV)。它們由一個(gè)相對(duì)緊湊的48V電池、一臺(tái)高性能電機(jī)和多個(gè)48V電氣化子系統(tǒng)構(gòu)成。48V系統(tǒng)的較低成本更增加了它們對(duì)汽車整車廠商(OEM)的吸引力，將很快成為大多數(shù)汽車制造商產(chǎn)品組合的一部分。
輕度混合動(dòng)力汽車雙電壓架構(gòu)
目前，現(xiàn)有的48V架構(gòu)有很多種，變體也在增加。大多數(shù)系統(tǒng)包括一個(gè)電池、一個(gè)起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)、一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，通常至少有一個(gè)48V負(fù)載。由于48V汽車仍然保留12V電池和多個(gè)12V負(fù)載，因此在可預(yù)見的未來，這些系統(tǒng)很可能會(huì)以雙電壓架構(gòu)存在。請(qǐng)參見圖1。
圖1.典型的48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)電氣拓?fù)?/font>
使用48 V雙電壓結(jié)構(gòu)，許多新的汽車電氣配置是可能的。因?yàn)?8 V系統(tǒng)從根本上來說能夠提供更高的功率水平，所以使用新的、更高功率的子系統(tǒng)是可能的。隨著48 V系統(tǒng)的出現(xiàn)，在12 V拓?fù)渲屑?8 V電動(dòng)壓縮機(jī)和48 V電動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)成為可能。此外，更高功率的實(shí)現(xiàn)將通過利用提高的能效促成更高動(dòng)力的12 V負(fù)載遷移到48 V總線。
最初，雙電壓系統(tǒng)的12 V將保持原樣，沒有12 V交流發(fā)電機(jī)。由于唯一的電源是48 V發(fā)電機(jī)，該系統(tǒng)將需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器，將48 V產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)移到12 V電池。這種轉(zhuǎn)換器需要緊湊、輕量級(jí)和高能效。它的設(shè)計(jì)是雙向的，這使得在高電流需求時(shí)期能結(jié)合使用兩種電池，需要在冷車啟動(dòng)等情況下使用。該雙向轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換來自任何一個(gè)電池的電源，并在它們之間傳輸能量。
48 V的起動(dòng)發(fā)電機(jī)是主要部件。它負(fù)責(zé)產(chǎn)生汽車的所有電力并啟動(dòng)汽車。此外，起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)在汽車制動(dòng)過程中進(jìn)行再生能量回收。在這種模式下，機(jī)器充當(dāng)發(fā)電機(jī)，向動(dòng)力總成提供負(fù)扭矩，使汽車減速，并回收電池的電荷。起動(dòng)發(fā)電機(jī)有許多配置和功率水平，每一個(gè)都有非常具體的汽車實(shí)施目標(biāo)。
48 V輕度混合動(dòng)力汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器
雙向電源轉(zhuǎn)換器需要在兩個(gè)電池系統(tǒng)之間共享電荷，并且功率范圍通常在1kW到3kW范圍。在這種大功率范圍內(nèi)維持高能效的最流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多級(jí)降壓升壓轉(zhuǎn)換器。降壓拓?fù)渲С止β蕪妮^高的電壓側(cè)向下流向較低的電壓側(cè)。升壓拓?fù)渲С止β柿飨蛳喾吹姆较颉６嗉?jí)設(shè)計(jì)支持將多個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器子電路組合成單個(gè)高功率轉(zhuǎn)換器。這種多級(jí)設(shè)計(jì)支持在輕載條件下去掉(shedding)某些段。多級(jí)shedding功能通過使用一個(gè)可導(dǎo)通或關(guān)斷的輸出MOSFET以使能每一特定段實(shí)現(xiàn)。典型的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)如圖2所示。突出顯示的方框表示安森美半導(dǎo)體提供大量產(chǎn)品的領(lǐng)域。
Interleaved Buck-Boost 48V-12V Bidirectional Converter：交錯(cuò)式降壓-升壓48 V-12 V雙向轉(zhuǎn)換器
48 V Positive Rail：48 V正向軌
48 V Negative Rail：48 V負(fù)向軌
Alternate Half Bridge Power Module：備用半橋電源模塊
Gate Driver：門極驅(qū)動(dòng)器
Half-bridge Gate Driver：半橋門極驅(qū)動(dòng)器
One of N Multiple Interleaved Stages：多個(gè)交錯(cuò)式段之一
Current Sense Amplifier：電流檢測(cè)放大器
12 V Positive Rail：12 V正向軌
12 V Negative Rail：12 V負(fù)向軌
圖2. 多級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換器的單級(jí)拓?fù)?/em>
輕度混合動(dòng)力汽車子系統(tǒng)
MHEV有各種各樣可能的48 V子系統(tǒng)，比僅使用12 V的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多可能性。MHEV上的最高功率負(fù)載是電控增壓器，稱為電動(dòng)壓縮機(jī)(E-Compressor)。由于增壓器需要在幾分之一秒加速到極高的速度，它需要大量的瞬態(tài)功率。典型的增壓器驅(qū)動(dòng)含由三相逆變器驅(qū)動(dòng)的低慣量三相電機(jī)。峰值功率水平可達(dá)8 kW以上，盡管它的平均功率相對(duì)較低。這些寬范圍功率配置完美匹配48V系統(tǒng)，在相對(duì)較短的時(shí)間產(chǎn)生大量的功率。
許多其他汽車子系統(tǒng)也非常適合48 V結(jié)構(gòu)的單相和三相配置。圖3列出了可能的48 V子系統(tǒng)。
圖3. 48V子系統(tǒng)小結(jié)
其它48 V系統(tǒng)
許多48 V子系統(tǒng)由低功耗三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最便于通過模塊設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體的汽車電源模塊(APM)三相模塊系列是理想的選擇。這些模塊為三相輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一個(gè)緊湊、高效的選擇。該模塊具有功率橋、內(nèi)部分流電阻、緩沖電容器等6個(gè)器件，并構(gòu)建在一個(gè)隔離的陶瓷基板上。為評(píng)估80V APM器件的性能，創(chuàng)建了48 V逆變器參考設(shè)計(jì)。系統(tǒng)配置和圖片如圖4所示。
圖4. 基于APM的48 V三相輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)
它有以下特性：
- FAN08V19DB1 3相電源模塊
- 光學(xué)輸入隔離
- FAN7393 半橋門極驅(qū)動(dòng)器
- 逆變直流鏈路分流放大器
- 模塊溫度轉(zhuǎn)換電路
- 基于NCV213RSQT 的過流保護(hù)
- 基于NTS 的過溫保護(hù)
- 可選的3通道電流傳感器板(通常是兩相+直流鏈路)
- 反向電池及電壓瞬態(tài)保護(hù)電路
該三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在安森美半導(dǎo)體的密歇根州安阿伯電源實(shí)驗(yàn)室處于最后的測(cè)試階段。測(cè)試完成后，
安森美半導(dǎo)體將提供更多的詳細(xì)信息。
48 V 系統(tǒng)器件
安森美半導(dǎo)體提供許多適用于48 V電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的器件。這些器件的簡單分組如表1所示。我們提供各種分立和模塊化封裝的MOSFET。即使在具有較大共模電壓的設(shè)計(jì)中，我們的電流檢測(cè)放大器系列能夠?qū)⒎至麟娮桦妷恨D(zhuǎn)換成邏輯電平信號(hào)。此外，我們正不斷開發(fā)新的器件，以擴(kuò)大我們世界級(jí)的陣容。新的器件封裝也處于AEC認(rèn)證的最后階段，并將很快推出生產(chǎn)。
表1. 48 V 輕度混合動(dòng)力汽車方案應(yīng)用器件
48 V子系統(tǒng)擴(kuò)展
48 V革命的一個(gè)可能的結(jié)果將是產(chǎn)生各種各樣的48 V外設(shè)。這種擴(kuò)展可能會(huì)降低48 V子系統(tǒng)的成本，并增加它們對(duì)其他高壓汽車的吸引力。如果這些外設(shè)包括在全混合動(dòng)力汽車或電動(dòng)汽車，它們將需要一個(gè)48 V電源，從而引入對(duì)三重電壓結(jié)構(gòu)的需要。這種架構(gòu)將為電動(dòng)/混動(dòng)汽車生成一種新的方案器件需求，稱為“三重電壓轉(zhuǎn)換器”。
總結(jié)
在12 V和全混合動(dòng)力汽車中添加48 V系統(tǒng)將為設(shè)計(jì)人員提供實(shí)現(xiàn)當(dāng)今汽車所需的提升燃油能效的機(jī)會(huì)。這也將大大增加對(duì)新的和創(chuàng)新的電力電子電路的需求。盡管將出現(xiàn)48 V架構(gòu)的許多變體，但最終的結(jié)論將在汽車客戶權(quán)衡了特性和效益與成本之后。 |
