在更高功率水平下提高效率的需求促使人們轉向48伏電源軌以減少提供給定功率時所需的電流。然而，過渡到48伏系統(tǒng)并不像安裝更大的電池和發(fā)電機那么簡單。
本文將討論為什么汽車需要48伏鐵路以及在引入新DC之前對整個系統(tǒng)的影響/DC轉換器可以大大簡化具有雙電壓(12/48 V)功能的電源系統(tǒng)的設計。然后，它將專注于其他關鍵的48伏組件和系統(tǒng)架構，包括用于新型48伏鋰離子電池的電池管理系統(tǒng)(BMS)。
為什么汽車需要升至48伏
汽車電力需求的增加使12伏電源變得緊張。使用12伏電源軌，每千瓦需求將需要大約80 A的電流。同樣在低溫下，靜載部件可以解釋交流發(fā)電機產生的全部功率，最高可達3 kW。高電流也會轉化為更高的損耗，這與提高效率的需求相反，以滿足嚴格的2020年燃料消耗行業(yè)目標，其范圍從5.0到6.0 L/100 km，具體取決于位置。
為了提高更高功率水平的效率，汽車設計人員正在轉向48伏電源軌，減少了提供給定功率時所需的電流。這種更高電壓的網(wǎng)絡可以在相同甚至更窄的電纜直徑下支持更高的負載(高達10 kW)，從而減小電纜尺寸和重量。這一點非常重要，因為今天的高端車輛可以有超過4公里的布線。
在遷移到48伏時，設計人員應考慮的一種配置是采用基于傳統(tǒng)鉛酸的12伏電動分支電池，然后添加48伏鋰離子電池為單獨的48伏分支供電(圖1)。許多汽車公司已經支持這種方法。
圖1：48 V系統(tǒng)采用新型鋰離子蓄電池。凌力爾特公司的LTC3871 DC/DC轉換器集成了12伏和48伏電氣系統(tǒng)。 (：凌力爾特公司)
例如，12伏系統(tǒng)可處理傳統(tǒng)負載，如照明，點火，信息娛樂和音頻，電動車窗和門鎖。 48伏系統(tǒng)支持更重的負載，如主動底盤系統(tǒng)(可調懸架)，空調壓縮機，電動增壓器/渦輪增壓器和再生制動。啟動內燃機(ICE)的動力將由48伏電氣系統(tǒng)中的鋰離子電池供電，這將使停止/啟動操作更加順暢。
48伏技術的目標是傳統(tǒng)的ICE汽車以及混合動力電動和輕度混合動力汽車。輕度混合動力車使用配備電動機/發(fā)電機的并聯(lián)配置的ICE，允許發(fā)動機在滑行，制動或停止時快速關閉并重新啟動。
電動增壓將用于將使用集成的起動發(fā)電機(ISG)與ISG的交流發(fā)電機(圖1)或皮帶驅動的起動發(fā)電機(BSG)相結合。它采用電動機通過卷帶為ICE的曲軸提供動力。這對應該使汽車制造商能夠將功率提高20%，同時減少15%的二氧化碳排放量，從而有助于達到更嚴格的排放標準。例如，歐盟2020年的汽車和貨車標準規(guī)定，從2021年開始，制造商的車隊的二氧化碳排放目標為95克/公里，超過這些限制將面臨經濟處罰的威脅。
然而，在短期內，新的48伏系統(tǒng)將以12伏并排運行。 48伏總線僅提供需要高功率輸入和輸出的功能。需要一個DC-DC轉換器(圖1)來處理功率為300 W至5 kW的雙向能量流，并允許電池電源在兩個電壓域之間分配。
DC/DC轉換器要求
雙電壓系統(tǒng)中DC/DC轉換器的主要功能是在兩個子系統(tǒng)之間傳輸能量。由于它主要將能量從48伏系統(tǒng)傳輸?shù)?2伏電平，因此主要用作降壓轉換器。轉換器工作的轉換器的情況通常只涉及部分負載要求，以確保正常的48伏操作。
在極低溫度下，鋰離子電池可能無法提供足夠的能量來啟動發(fā)動機，并且因此，12伏鉛酸電池可以起作用，使用雙向DC/DC轉換器從48伏和12伏電池組合為BSG供電。當ICE運行時，典型的起動發(fā)電機可以向48伏系統(tǒng)輸入高達15千瓦的功率。反過來，DC/DC轉換器將部分能量轉移到12伏系統(tǒng)，為其組件供電并為鉛酸電池充電。
DC/設計可以有多種選擇適用于48伏應用的直流轉換器，具體取決于要求。除轉換器性能外，其他重要要求包括功率損耗(效率)，封裝空間/容量，單向或雙向功率傳輸;和功能安全。奧迪，寶馬，戴姆勒，保時捷和大眾汽車提出的LV148標準定義了48伏電源系統(tǒng)的要求，包括其功能和接口。
LV148標準已經應用于2017款車型。任何考慮48伏設計的設計師都應該參考這個規(guī)范。它描述了新48伏組件的所有相關電氣要求和測試程序。請注意，它還規(guī)定直流電壓<60伏時不需要電擊保護，因此不需要高壓互鎖系統(tǒng)(HVIL)。為了滿足LV148的要求，設計人員可以從凌力爾特公司的LTC3871開始，這是一款100 V/30 V雙向，兩相同步降壓或升壓控制器，適用于48 V/12 V汽車雙電池系統(tǒng)。
LTC3871在降壓模式下工作，從48伏總線到12伏總線，或在升壓模式下工作在12伏到48伏(圖2)，使用控制信號輸入選擇模式。多達12個相可以并聯(lián)和異相時鐘，以最大限度地減少高電流應用(高達250 A)的輸入和輸出濾波要求。使用12相設計，可在降壓模式或升壓模式下提供高達3 kW的功率。
啟動汽車或需要額外電源時，LTC3871允許兩個電池同時供電，并且仍然能夠達到97%的效率。
為了調節(jié)可以向任一方向傳遞到負載的最大電流，使用了四個片上編程循環(huán)。有兩個用于電流，兩個用于電壓，可以控制48伏或12伏網(wǎng)絡上的電壓和電流。
圖2：多個LTC3871芯片 - 最多12個相位 - 可以并聯(lián)和時鐘異相，以最大限度地減少輸入和輸出濾波，適用于需要高達250 A的應用。(：Linear Technology)
LTC3871運行在可選固定頻率在60和460 kHz之間，可以在同一范圍內同步到外部時鐘。設計人員可以在輕負載期間選擇連續(xù)操作或脈沖跳躍。其他功能包括過載和短路保護，降壓和升壓的獨立環(huán)路補償，溫度范圍內±1%的電壓調節(jié)精度，以及欠壓和過壓鎖定。
請注意，與汽車設計中使用的幾乎所有元件一樣，LTC3871已符合AEC-Q100汽車規(guī)范的要求。
48伏電池管理
當使用48伏汽車系統(tǒng)所需的新型鋰離子電池時，設計人員需要選擇比鉛酸所需的更復雜的電池管理和診斷系統(tǒng)電池。鑒于安全要求和正確充電鋰離子電池所涉及的許多細節(jié)，最好是四處尋找現(xiàn)成的解決方案而不是從頭開始拼接。
一些核心要求是解決方案需要解決的問題包括：
測量電池組電壓，單個電池電壓和電流
電池平衡
12伏與48之間的分離電壓域
48伏域的故障安全斷開
ams為48伏汽車電源總線提供了一種解決方案(圖3)。
圖3：ams不是從零開始設計電池測量系統(tǒng)(BMS)，而是提供現(xiàn)成的48伏BMS基于其AS8510包監(jiān)視器和AS8506單元監(jiān)視器。該組合可提供精確的電池平衡和低元件數(shù)，同時節(jié)省開發(fā)時間。 (：ams)
在BMS中，測量的電池組電壓，單個電池電壓和電流數(shù)據(jù)用于將電池維持在其安全工作參數(shù)范圍內。這一點越來越重要，因為配備自動啟動/停止功能的現(xiàn)代汽車要求電池的充電狀態(tài)(SOC)保持在不低于50%。
監(jiān)控鋰離子電池的最佳方法電池的SOC用于測量開路電壓以建立測量起點，然后執(zhí)行“庫侖計數(shù)” - 測量離開電池時的總電流。這要求電壓通道具有非常高的精度，以及無偏移的電流測量路徑。
為了測量電池組電壓并確定其充電狀態(tài)，ams BMS使用AS8510數(shù)據(jù)采集IC，如圖所示如圖3左側所示。該電池傳感器接口集成了信號調理功能和兩個16位模數(shù)轉換器(ADC)。它的精度達到0.2%。
同樣的傳感器接口也實現(xiàn)了庫侖計數(shù)，但為此需要與100μΩ錳銅分流電阻配對。 AS8510的特性與此特定分流器相匹配，因此設計人員可在整個汽車溫度范圍內實現(xiàn)優(yōu)于0.5%的系統(tǒng)級精度，并在整個測量范圍內實現(xiàn)零偏移。
電池平衡
在每個電池中，從一個電池到另一個電池存在隨機變化，這意味著一些電池在其他電池之前完全充電。電池管理的目標是確保所有電池保持相同的充電狀態(tài)。
ams AS8506使用內部同步的無偏移比較器在本地決定需要平衡的單元(圖4)。與傳統(tǒng)的電池平衡設計不同，該系統(tǒng)不需要微控制器。
圖4：ams AS8506在本地進行電池平衡決策，因此設計人員無需添加和編程微控制器來處理任務(：ams)
其他48伏系統(tǒng)設計考慮因素
48伏鋰離子電池和12伏電壓 - 酸性電池，輸入和輸出電壓將更高，這意味著需要使用更高的擊穿電壓組件。此外，由于較高的電壓，腐蝕將成為一個問題。這意味著開關將需要更昂貴的金屬，并且彈簧加載的觸點將必須更快地分離以降低可能導致大量熱損壞的電弧放電的風險。由于電弧放電的風險較高，需要通過電子電池斷開開關切換和保護48伏輸出到環(huán)境中，以便在不同的車輛模式下進行輸出控制。
英飛凌科技等MOSFET其OptiMOS系列的IPB180N10S402ATMA1CT-ND通常用于48伏系統(tǒng)作為功率輸出級IC。在48伏特時，它們在開關和傳導損耗方面優(yōu)于IGBT。
48伏技術的無源元件必須符合與12伏汽車電氣系統(tǒng)中使用的元件相同的高質量標準，例如工作溫度范圍為-40°C至150°C，以及抗沖擊和振動。此外，它們還必須使損耗最小化，因此DC/DC轉換器可以達到高達98%的效率水平。
結論
在車輛中引入額外的48伏電壓將使動力傳動系統(tǒng)組件(例如油泵和水泵以及渦輪增壓器或超級充電器)能夠從機械動力切換到電動動力。 48伏系統(tǒng)還有助于減少二氧化碳排放，并有助于汽車制造商滿足更嚴格的燃油經濟性標準。
然而，需要認真考慮12伏和48伏電力系統(tǒng)的共存，以及設計與使用鋰離子電池有關的問題，如安全性，效率和測量精度。對于許多設計人員而言，最好和最便捷的選擇是使用凌力爾特公司和具有內置性能和保護功能的公司的現(xiàn)成芯片和系統(tǒng)設計。
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