《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電子元件 > 業(yè)界動態(tài) > 48V/12V汽車電氣系統(tǒng)高功率轉(zhuǎn)換器

48V/12V汽車電氣系統(tǒng)高功率轉(zhuǎn)換器

2020-03-23
來源:與非網(wǎng)
關(guān)鍵詞: 汽車 高功率轉(zhuǎn)換器

  48V 輕混電動汽車面臨日益嚴(yán)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(dá)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(kuò)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(jī)、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(dá)、激光雷達(dá)、帶超快處理器的攝像頭) 和選擇性催化還原系統(tǒng) (柴油機(jī)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(dá)到 1kW,48V/12V 雙向電壓轉(zhuǎn)換器功率高達(dá) 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(jī)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(jī)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(fù)載波動的影響,并避免車輛電氣系統(tǒng)處于危險狀態(tài)。

5e78497ecf783-thumb.jpg

  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(fù)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(jī),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(jī)。這為汽車制造商集成其他大功率電氣設(shè)備,進(jìn)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(jìn)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(dá) 100 秒。雖然 48V MHEV 不需要電隔離,但由于必要的防觸電保護(hù),因此任何情況下,最大電壓極限不得超過 60V。測試標(biāo)準(zhǔn)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(jī),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(jī)、風(fēng)擋除霜器、電動壓縮機(jī) (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(jī)。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(jī)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。混合動力汽車需要第二電壓。48V 電動汽車 (MHEV) 二氧化碳排放減少 16%,同時發(fā)動機(jī)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(yán)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(kuò)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(kuò)展的電壓轉(zhuǎn)換器策略為目標(biāo)。有必要針對這些功率值,拓展到 80V 和 100V 新型半導(dǎo)體器件,以及用于存儲和濾波應(yīng)用的大電流電感器。

5e78497f31bb4-thumb.png

  圖 2:48V MHEV 的簡化圖(?Vishay)

  為實現(xiàn) 3.2kW 功率,端子 40 電流必須達(dá)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

5e78497f0c7be-thumb.jpg

  圖 4:DC/DC 轉(zhuǎn)換器,6 相,1.5kW,使用 IHLP6767GZ 標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)頻降低電磁干擾 (EMI)

  2 效率

  ● 部件負(fù)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(fù)載策略

  3 溫度

  ● 部件負(fù)載范圍內(nèi)單相循環(huán)滿負(fù)荷使用

  ● 溫度監(jiān)測

  ● 按需風(fēng)扇控制

  ● 各相位負(fù)載依溫度分布

  在電壓高達(dá) 60V (端子 40),最大峰值電壓達(dá) 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(kuò)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%。


本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。