電動汽車雙電源系統(tǒng) 48V 和 12V 應(yīng)用

汽車業(yè)的發(fā)展主要由電氣化和自動駕駛兩大趨勢所推動。由于歐盟設(shè)定了二氧化碳減排目標(biāo)，除了汽車電氣化，OEM別無選擇。同時，為了提高汽車安全性并實現(xiàn)全自動駕駛的最終目標(biāo)，OEM使用了越來越多的傳感器，并不斷提升計算性能來處理傳感器產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)。

汽車行業(yè)多年來一直被CASE所驅(qū)動，即網(wǎng)聯(lián)化（Connected）、自主/自動化（Autonomous/Automated）、共享化（Shared）和電氣化（Electric）。在這四個發(fā)展趨勢中，其中兩個聚積了更多的研發(fā)力量。

第一個是OEM汽車電氣化。由于歐盟設(shè)定了二氧化碳減排目標(biāo)（2021年為95g/km，2025年達(dá)到81g/km），除了汽車電氣化，OEM似乎別無選擇。

第二個是自主/自動駕駛，需要OEM將越來越多的自動駕駛功能集成在一起，以實現(xiàn)全自動駕駛的長遠(yuǎn)目標(biāo)。通過添加更多的傳感器，并不斷提升計算性能來處理這些傳感器產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，OEM有望實現(xiàn)這一目標(biāo)。

汽車行業(yè)的電氣化正在以不斷增加的速度發(fā)生，這主要是受政府關(guān)于二氧化碳 (CO 2 ) 減排標(biāo)準(zhǔn)的推動。歐盟設(shè)定了一個目標(biāo)為新的車輛發(fā)出的CO只有95克/公里2 2020年中國等其他國家也在制定類似的法規(guī)。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商正在轉(zhuǎn)向輕度混合動力電動汽車，除了標(biāo)準(zhǔn)的 12V 汽車電池外，還使用二次高壓電池。

德國汽車制造商已經(jīng)開始定義和構(gòu)建基于 48V 電池的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的 12V 電池相比，48V 電池可以以更低的電流提供更多功率，同時減輕線束的重量并且不會犧牲性能。在這一發(fā)展過程中，LV 148 標(biāo)準(zhǔn)已成為雙電池汽車系統(tǒng)的主流起點。雙電池系統(tǒng)的頂層框圖如圖 1 所示。

圖 1：雙電池汽車系統(tǒng)框圖

擬議系統(tǒng)面臨哪些挑戰(zhàn)？你如何克服障礙？許多 OEM 系統(tǒng)要求規(guī)定能量必須可以從 48V 軌傳輸?shù)?12V 軌，反之亦然。如果電池已放電，則需要雙向電源傳輸來為其充電，并在過載情況下為相反的電壓軌提供額外的電源。為了在不損壞電池的情況下為電池充電，控制器必須能夠非常準(zhǔn)確地控制充電電流。在大多數(shù)汽車應(yīng)用中，最大功率傳輸并不小，通常落在 2kW 到 3kW 的范圍內(nèi)。兩條軌道上的電壓可能會有很大差異。根據(jù) LV 148 規(guī)范，48V 軌通常在 36V 和 52V 之間，而 12V 軌的范圍可以從 6V 到 16V。對于可能損壞系統(tǒng)的任何故障情況，還必須存在保護(hù)電路。有了這些要求，很明顯，橋接 48V 和 12V 電源軌所需的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將不是一個微不足道的設(shè)計項目。

意識到 48V 軌和 12V 軌的電壓范圍從不重疊，可大大降低設(shè)計復(fù)雜性。對于從 48V 軌到 12V 軌的功率傳輸，我們可以使用降壓轉(zhuǎn)換器，而在 12V 到 48V 軌方向上的功率傳輸可以通過升壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。由于千瓦范圍的功率要求，每個轉(zhuǎn)換器都應(yīng)使用同步 MOSFET 而不是續(xù)流二極管，以提高系統(tǒng)效率。

降壓和升壓拓?fù)湓陔娏﹄娮宇I(lǐng)域廣為人知，但設(shè)計兩個獨立的轉(zhuǎn)換器將占用寶貴的電路板空間并增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。仔細(xì)觀察這兩種拓?fù)洌?/span>我們會發(fā)現(xiàn)降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的動力系統(tǒng)非常相似。兩種拓?fù)涠贾辽侔瑑蓚€功率 MOSFET、一個電感器和一定量的輸出電容?？刂破魇峭?fù)渲g的差異。在降壓拓?fù)渲?，受控開關(guān)是高側(cè) MOSFET，而在升壓拓?fù)渲?，它是低?cè) MOSFET。假設(shè)我們選擇了正確的控制器，只需更改受控開關(guān)，就可以在使用相同動力系統(tǒng)組件的同時改變電感器中的電流方向。

圖 2：單控制器雙向轉(zhuǎn)換器的演變

雖然同步開關(guān)對于大電流設(shè)計是必要的，但它并不是萬能的。在 2kW 功率下，12V 電源軌將傳導(dǎo)大約 166A?？焖贋g覽一下就會告訴我們，我們需要多相操作才能實際實現(xiàn)此設(shè)計。通過使用多相架構(gòu)，我們可以減小組件的物理尺寸并使熱管理更容易。為了輕松地并聯(lián)每個電源相位，降壓或升壓模式操作中的控制方案應(yīng)該是電流模式控制。多相操作還可以實現(xiàn)每相的交錯切換。每次不切換每個相位會減少輸出紋波，從而有助于減少電磁干擾 (EMI)。

在所有系統(tǒng)中，我們必須設(shè)計保護(hù)電路以確保操作員安全。欠壓鎖定 (UVLO) 和過壓保護(hù) (OVP) 等常見保護(hù)功能可確保電池不會放電過深或過度充電。峰值電感電流限制有助于保護(hù)每個電源相位免于過載和電感飽和。在雙電池汽車設(shè)置中，還需要斷路器來斷開 48V 和 12V 電源軌之間的任何電氣連接。監(jiān)控電路還有助于擴展安全功能。例如，在能量傳輸期間，監(jiān)控每個通道中的電流可以指示是否或何時發(fā)生故障情況。

數(shù)控 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是一種可能的解決方案，但這種方法有幾個主要缺點。

首先，需要大量分立元件：每個相位的電流檢測放大器、功率 MOSFET 柵極驅(qū)動器、保護(hù)電路和監(jiān)控電路每個元件都將占用印刷電路板 (PCB) 上寶貴的空間。

其次，需要高端微控制器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的電流和電壓控制回路。

第三，微控制器還會在保護(hù)電路中引入延遲，這會在高功率水平下造成災(zāi)難性的損壞。

第四，第四，數(shù)字控制的設(shè)計周期可能是數(shù)年。我們必須對開關(guān)電源和數(shù)字控制有深入的了解。話雖如此，還有一些額外的好處。

第五，從系統(tǒng)層面來看，數(shù)字控制可以更加靈活，允許控制方案參數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的動態(tài)變化。與其他子系統(tǒng)共享信息可提高整體系統(tǒng)性能。

LM5170-Q1控制器為汽車類48V和12V雙電池系統(tǒng)的雙通道雙向轉(zhuǎn)換器提供必要的高電壓和精密元器件?？砂凑誅IR輸入信號指定的方向調(diào)節(jié)高壓和低壓端口間的平均電流。電流調(diào)節(jié)水平可通過模擬或數(shù)字PWM輸入以編程方式設(shè)定。

雙通道差分電流感測傳感器和專用通道電流監(jiān)測計可實現(xiàn)1％的典型電流精度。穩(wěn)定的5A半橋柵極驅(qū)動器能夠驅(qū)動功率不低于500W /通道的并聯(lián)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)應(yīng)晶體管（MOSFET）開關(guān)。同步整流器的二極管仿真模式可避免出現(xiàn)負(fù)向電流，但也支持通過非連續(xù)操作模式提升輕載效率。多用途保護(hù)功能包括逐周期電流限制，HV和LV端口過壓保護(hù)，MOSFET故障檢測和過熱保護(hù)。