鉅大LARGE | 點擊量：1478次 | 2020年03月30日
48V/12V汽車電氣系統高功率轉換器
48V輕混電動汽車面臨日益嚴峻的挑戰，48V/12V轉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，首要任務是以可擴展概念優化成本，因為出售的每款車型配置并不相同。
1調節汽車電氣系統的電壓轉換器
近年來，主動安全、節能減排等領域大量應用已集成到新車型中。這些應用包括起/停系統(微混)、電動水泵、空調壓縮機、渦輪增壓器、助力轉向、翻滾抑制系統、駐車制動器、自動變速器和無真空助力制動器。此外還有ADAS(特種、激光特種、帶超快處理器的攝像頭)和選擇性催化還原系統(柴油機尾氣處理液等)。因此，調節汽車電氣系統的電壓轉換器功率需要達到1kW，48V/12V雙向電壓轉換器功率高達3.5kW。
開發人員面臨的問題是：如何搭建48V/12V轉換器，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起動發電機基礎上，汽車制造商推出越來越多配備48V皮帶驅動起動發電機的柴油汽車。
242V電氣系統
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2000年，首次嘗試使用42V汽車電氣系統因多種原因失敗。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-停系統方案)可優化能耗大約5%。這項技術目前已用于60%以上的車輛中。12V汽車電氣系統電壓調節最大波動范圍為3V(11V~14V)。這樣可防止其他電氣設備受負載波動的影響，并避免車輛電氣系統處于危險狀態。
圖1：DC/DC轉換器3.5kW，帶6相和IHDM電感器（copyVishay）
如果電壓降至11V最低調節范圍以下，系統功率會根據情況下降。低于9V的情況下，其他控制單元將根據功能和能量要求減速或關閉。電壓降至6V以下會造成車輛電氣系統完全失效。因此，所有微混電動汽車需要DC/DC電壓轉換器(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備產生負面影響。
3調節汽車電氣系統的DC/DC轉換器
DC/DC轉換器用于調節穩壓12V微混電動汽車的電氣系統，以防重新起動時電氣系統電壓下降。信息娛樂系統、音頻和照明系統連續不間斷工作。帶分流檢測電阻器的智能電池傳感器可以連續測量電池功率和耗電量。12V系統能耗有限。即使采用最大功率發電機，也無需為額外的動態大電流系統供電。
因此，提高電氣系統的工作電壓，從而可以開發新的交流發電機。這為汽車制造商集成其他大功率電氣設備，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免調節48V電氣系統
與12V汽車電氣系統相比，48V系統工作電壓范圍為16V(52V~36V)，并且不會進行調節。所有48V控制單元必須在16V電壓擺幅內可靠運行。許多設置和應用測試表明，48V系統中，大于48V的動態電壓上限最長持續3秒，而動態電壓下限持續時間長達100秒。雖然48VMHEV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VDA320。根據VDA320開發的部件可在定義的電壓范圍內可靠運行。
專為48V系統(60VDC的低壓系統)設計的起動發電機，峰值功率從15kW到20kW，持續功率從5kW到10kW。這種48V功能系統可以逐步直接適用于所有大電流應用，如空調壓縮機、風擋除霜器、電動壓縮機(渦輪增壓器)和48VPTC預熱器。但是，由于成本的原因，車輛中許多低于600W的12V應用還不能轉換為48V。
5雙向電壓轉換器
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電壓轉換器。這些轉換器將取代12V交流發電機。所需功率超過600W的電氣系統將逐步轉換為48V子系統。電動助力轉向等動態系統以及起動發動機時，必須使用12V電池作為緩沖器。
啟-停系統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%，同時發動機功率可提高23%。出現的一大問題是，如何搭建48V/12V轉換器，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-升壓轉換器
這種類型的轉換器要求非常高。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，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的低電壓成反比。在3.5kW降壓-升壓轉換中，電流會短暫地變得非常高，尤其假設在最低輸入電壓時。
除了實現高效率面臨的挑戰(96%)之外，擴展性和成本優化也增加了困難。預計未來許多車輛主要是柴油車將轉換為48V輕混系統，因此應以可擴展的電壓轉換器策略為目標。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用的大電流電感器。
圖2：48VMHEV的簡化圖（copyVishay）
Vishay產品幾乎涵蓋每一種拓撲結構(3、4、6或8相同步整流直流轉換器)、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鍵器件。
圖3：定制降壓-升壓IHDM存儲線圈（copyVishay）
為實現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，選擇多路轉換器系統，因為它們具有最佳效率/成本/體積比。
DC/DC轉換器3.5kW圖像
圖4：DC/DC轉換器，6相，1.5kW，使用IHLP6767GZ標準電感器（copyVishay）
7總結
為提供12V電壓各種功率級別(1kW~3.5kW)性價比極高的系統，數字穩壓器是模擬調節雙向電壓轉換器的首選。理由如下：
1靈活
局部可變功率設置
軟啟動或數字電流調節
故障識別(通過總線系統通信)和可變相移
可擴頻降低電磁干擾(EMI)
2效率
部件負載范圍內單個相位關閉
利用變頻選擇優化效率；理論上：自動效率優化，如最大功率點跟蹤(MPPT)方
單相效率分析優化部件負載策略
3溫度
部件負載范圍內單相循環滿負荷使用
溫度監測
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系統必須采用耐壓至少80V的MOSFET。
最后，最大的挑戰是以可擴展概念優化雙電氣系統的成本，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測極為可觀，到2025年，這一配置可能會占到所有車輛的25%。
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