1 調節(jié)汽車電氣系統(tǒng)的電壓轉換器

 

近年來，主動安全、節(jié)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(tǒng) (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(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、激光雷達、帶超快處理器的攝像頭) 和選擇性催化還原系統(tǒng) (柴油機尾氣處理液等)。因此，調節(jié)汽車電氣系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)電機的柴油汽車。

 

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%。這項技術目前已用于 60% 以上的車輛中。12V 汽車電氣系統(tǒng)電壓調節(jié)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(tǒng)處于危險狀態(tài)。

 

圖1：DC/DC 轉換器 3.5kW，帶 6 相和 IHDM 電感器（©Vishay）

 

如果電壓降至 11V 最低調節(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(jié)汽車電氣系統(tǒng)的 DC/DC 轉換器

 

DC/DC 轉換器用于調節(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，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。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(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)，并且不會進行調節(jié)。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(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 100 秒。雖然 48V MHEV 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 VDA 320。根據(jù) VDA 320 開發(fā)的部件可在定義的電壓范圍內可靠運行。

 

專為 48V 系統(tǒng) (<60VDC 的低壓系統(tǒng))設計的起動發(fā)電機，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用，如空調壓縮機、風擋除霜器、電動壓縮機 (渦輪增壓器)和 48V PTC 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(fā)電機。所需功率超過 600W 的電氣系統(tǒng)將逐步轉換為 48V 子系統(tǒng)。電動助力轉向等動態(tài)系統(tǒng)以及起動發(fā)動機時，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)動機功率可提高 23%。出現(xiàn)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(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(xiàn)高效率面臨的挑戰(zhàn) (>96%) 之外，擴展性和成本優(yōu)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(tǒng)，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2：48V MHEV 的簡化圖（©Vishay）

 

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(tài)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（©Vishay）

 

為實現(xiàn) 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(tǒng)，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（©Vishay）

 

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(tǒng)，數(shù)字穩(wěn)壓器是模擬調節(jié)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(shù)字電流調節(jié)

● 故障識別 (通過總線系統(tǒng)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(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)化部件負載策略

 

3 溫度

 

● 部件負載范圍內單相循環(huán)滿負荷使用

● 溫度監(jiān)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(tǒng)必須采用耐壓至少 80V 的 MOSFET。

 

最后，最大的挑戰(zhàn)是以可擴展概念優(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測極為可觀，到 2025 年，這一配置可能會占到所有車輛的 25%。

 

本文授權轉載自Vishay威世科技，作者：Mustafa Dinc

 

Mustafa Dinc 現(xiàn)任 Vishay Electronics GmbH 有限公司全球汽車業(yè)務發(fā)展部執(zhí)行副總裁。

 

 

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