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適用于輕度混合動力汽車的48V汽車系統

2018-09-30   

中國電源產業網

導語:


作者:安森美半導體系統設計工程師John Grabowski

前言
隨著全球各地對環境狀況(特別是空氣質量)這一問題的關注日益提升,汽車的CO2排放量需要通過減少汽車的平均油耗來降低。實現這一目標的方法之一就是采用混合動力發動機,而不是純內燃發動機(ICE)動力汽車。

在典型的汽車中,牽引動力系統必須能夠在非??矸旱墓β屎退俁忍跫段讜誦?,這通常以“轉矩-速度”范圍來表示?;旌隙ο低車牟捎萌孟低成杓普吣芄蛔雜傻卦誆煌淖?速度范圍內,以優化每項系統性能的方式,對多重動力源進行布置。電動力源可提供非常高的轉矩,且在加速汽車時非常有用,但它僅在有限的時間段內可用。所涉及的具體時間取決于電池大小和電機的轉矩輸出。借助這種可產生動力源的高轉矩,ICE尺寸得以顯著縮小。這使其燃油能效也大大提升。然而,添加電動力源當然并非簡單的工程問題,需要一種有關許多汽車系統設計考量的方法。

傳統上,通過添加高壓(〜350V)電池和直接耦合至ICE動力系統的高性能電機,電氣化已經得以實現。這些'全'混合動力汽車的定義類別一直是節能汽車,且從提升能效角度看也頗具吸引力。但是,它們也使汽車的成本和重量大大增加。

最近,48V汽車系統架構得到了相當多的關注。這些系統可以說是是向著全混合動力汽車前進的一步。通常情況下,稱它們為“輕度混合動力(Mild Hybrids)”,但當在更低的功率級別下設計時,也可歸類為“微混合動力(Micro Hybrids)”。它們采用相對緊湊的48V電池、高性能電機、以及至少一個額外的48V電氣化子系統。48V系統更低的成本使其在許多汽車OEM廠商眼中頗具吸引力,它們很快將成為大多數汽車制造商產品組合中的一部分。

48V架構
48V架構的選擇寬泛,且在不斷增加。最基本的系統包括一塊電池、一個起動發電機、一個48V至12V轉換器,且通常至少有一個48V負載。由于48V汽車仍然保留12V電池和多個12V負載,因此目前這些系統可能會以雙電壓系統的形式存在。


圖1.典型48V輕度混合系統電氣拓撲結構

憑借這些雙電壓系統,大量的新配置成為可能。由于48V系統基本上能夠提供更高的功率水平,因此它將支持全新更高功率的外設,如48V E-Turbo和48V E-Roll穩定系統。此外,更高的功率可用性將推動耗電的12V負載遷移至48V總線,以充分利用更高的能效。

起初,雙電壓系統的12V系統側將保持原樣,減去12V交流發電機。由于沒有12V電源的發電源,因此需要有一個轉換器負責將48V產生的電力轉移到12V側。盡管轉換器需要高能效,但它仍會對所有12V負載施加損耗懲罰,因其需要通過轉換器獲取電源。在增加的損耗和功率限制之間產生了強大的誘因,能夠將12V外設移至48V運行。

這些轉換器在設計上為雙向的,在高需求期間可同時使用兩種電池。雙向轉換器能夠將來自任一電池的電源轉換到另一電池,并且可能存在于未來某一段時間內。

除冗余之外,保留12V啟動器并沒有技術上的原因,將其拆移除可能會成為未來的趨勢。如果不再需要它,那么12V電池的尺寸能夠顯著減小,甚至可以完全移除。但這將是一個大膽的舉動,需要非常謹慎地對轉換器進行設計。

對于48V系統側,起動發電機是主要部件。它負責汽車所有電力生成、以及汽車起動。它還能在汽車制動期間執行再生能量回收。在此模式下,機器作為發電機為動力系統提供負轉矩,減慢車速并恢復電池電量。起動發電機有多種配置和功率級別,每個都有著非常具體的實施目標。
混合動力領域采用了一個簡寫代碼來確定電機在底盤子系統中的位置。該系統通過使用一組Px指示器來生成標簽,指示電機與動力系統耦合的每個位置。指示器(P0至P4)的數值在功率插入點穿過車尾時會上升。

      
圖2. Px混合系統術語和示例功率級別

由于BSG的插入點位于發動機的前端附件驅動(FEAD)處,因此BSG的功率級別是最小的,其中轉矩的傳輸必須通過鋼帶連接。由于其通過鋼制齒輪耦合,所以底盤的其余插入點(P2-P4)都具有更高的功率水平。另外,更高功率的機器具有能夠為ICE提供牽引輔助的附加功能。這意味著除了由ICE提供的動力之外,電動力源還也能夠提升汽車的加速度。在某些配置下,可以想象在ICE關閉的情況下,汽車單靠電動力源即可開動。這取決于電機可用的牽引輔助量及其在底盤子系統中的位置。

48V子系統
雙電壓系統需要增加48V至12V電源轉換器。在沒有12V交流發電機的情況下需要為12V系統供電,就需要該組件。由于需要雙向行為和高能效,所以需要專門的設計方法。這些轉換器的典型功率范圍在1kW至3kW范圍內,為了在這樣的大功率范圍內保持高能效,多級降壓-升壓轉換器是當前最流行的拓撲結構。降壓拓撲結構允許電力從較高電壓側流向較低電壓側。與之類似地,升壓拓撲允許反方向的功率流動。多級設計允許共享許多單獨的轉換器子電路,以組合成一個高功率設計。在轉換器輸出負載很重的情況下,所有的子電路都能夠工作。當轉換器輸出輕負載時,許多子電路將被關斷,從而提供更低的損耗和更高的能效。

能想得到的48V負載有多種多樣,而許多較高的功率負載無法通過12V系統實現。其中最高的是電控增壓器。由于增壓器需要在幾分之一秒內加速到極高的速度,因此需要相當高的瞬態功率。典型的增壓器驅動包括一個低慣性三相電動機,由一個三相逆變器驅動。盡管平均功率相對較低,但峰值功率可達8kW以上。如此寬泛的功率范圍配置可完美匹配48V系統。許多其它汽車子系統也非常適合48V架構,無論是單相還是三相配置。圖3中列出了可能的48V負載。

圖3. 輕度混合子系統組件摘要


其它48V系統
48V電池系統由鋰離子電池構成,相較于鉛酸電池,它需要更多的注意和處理。鑒于此,48V汽車需要電池管理系統(BMS)。該系統負責監控電池電壓和電池溫度,以便能夠安全地為電池充電。由于48V系統具有再生能力,這種情況也變得更為復雜。當汽車電池的剩余電量足夠低時,可發出再生指令,但是對BMS的控制需要非常謹慎,這對于防止過充或過熱至關重要。
48V電路對熔斷和接觸也有更為復雜的要求。目前尚不確定,如果用于48V系統,12V刀片式保險絲能否提供足夠的電弧防護。而且,由于48V系統所需的繼電器觸點距離將大于12V系統所需的,因此需要重新設計保險絲和繼電器。由于這些組件的要求都可以通過采用半導體器件輕松滿足,所以這些問題很可能通過電子方案來解決。
結論
將48V系統添加到12V汽車將讓設計人員有機會實現當今汽車所需的燃油能效提升。它還將大大增加對新型創新的電力電子電路的需求,雖然48V架構的許多變體將會出現,但最終的評判將在汽車客戶權衡特性優勢與成本之后得出。

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