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汽車電氣化時(shí)代到來(lái)已是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí),不過(guò)怎么實(shí)現(xiàn)卻是眾說(shuō)紛紜:純電動(dòng)(EV)、混合動(dòng)力(HEV)、插電式混合動(dòng)力(PHEV)、48V輕混動(dòng)力(MHEV)和重混動(dòng)力(HEV),還有燃料電池,不一而足。

在全球環(huán)保壓力下,轎車、卡車、公交車及摩托車主機(jī)廠都在對(duì)其車輛實(shí)施電氣化,以提高內(nèi)燃機(jī)的燃油效率,減少二氧化碳排放。

盡管電氣化選擇很多,但大多數(shù)主機(jī)廠都沒(méi)有選擇完全混合動(dòng)力(Full-hybrid)總成,而是選擇了48V MHEV,除了使用傳統(tǒng)12V電池之外,還新增了一個(gè)48V電池。

傳統(tǒng)12V配電已是小馬拉大車

現(xiàn)在大多數(shù)汽車仍然在使用電流300安培的12V為車載電器供電,隨著汽車上越來(lái)越多的新的耗電型電子驅(qū)動(dòng)和功能的增加(電動(dòng)啟停、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、電動(dòng)懸架、電動(dòng)渦輪增壓、變速空調(diào),以及音響系統(tǒng)、加熱座椅和可隨動(dòng)轉(zhuǎn)向照亮黑暗彎道的前照燈),傳統(tǒng)12V配電總線只能勉強(qiáng)為牽引電機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)提供所需能量。

更重要的是,隨著自動(dòng)駕駛車輛的出現(xiàn),激光雷達(dá)、攝像頭和超聲波傳感器等都需要高性能圖形處理器來(lái)收集、解釋、集成和解釋的系統(tǒng),對(duì)配電系統(tǒng)提出了更高要求。這類處理器非常耗電,使傳統(tǒng)汽車12V配電總線無(wú)能為力。即使是高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS),12V電氣系統(tǒng)已不能提供所需的能量。未來(lái)的車載計(jì)算機(jī)會(huì)消耗上千瓦電力,讓12V系統(tǒng)的功率消耗殆盡。因此,無(wú)論是現(xiàn)在的混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車,還是未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車,都需要48V系統(tǒng)來(lái)承受高耗能的負(fù)載。

為什么是48V技術(shù)?

既然問(wèn)為什么,就要說(shuō)說(shuō)作為一種顛覆性技術(shù)的48V總線配電有哪些優(yōu)勢(shì)?業(yè)界的一些觀點(diǎn)歸納如下:

增加動(dòng)力,減少排放。功率的增加可以使內(nèi)燃機(jī)更有效地運(yùn)轉(zhuǎn),幫助主機(jī)廠更快地滿足排放法規(guī)要求。已經(jīng)推出的具有啟停功能的輕混動(dòng)力汽車,可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在滑行、制動(dòng)或停止時(shí)暫時(shí)關(guān)閉,然后迅速重新啟動(dòng),提供部分動(dòng)力。輕混動(dòng)力車的電機(jī)用于補(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)能量,不能單獨(dú)為汽車提供動(dòng)力。

支持傳統(tǒng)12V系統(tǒng)的48V電氣系統(tǒng)

回收儲(chǔ)存能量。48V系統(tǒng)采用大容量鋰電池和再生制動(dòng)系統(tǒng),通過(guò)再生制動(dòng)或恢復(fù)制動(dòng),可將汽車減速時(shí)損耗的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能,存儲(chǔ)在48V大容量電池中,并能利用回收的能量支持內(nèi)燃機(jī)的電氣裝置。再生制動(dòng)可以在由停車變?yōu)榧铀傩旭倳r(shí),將所存儲(chǔ)的能量用于推動(dòng)車輛前行,從而實(shí)現(xiàn)比通常更快的速度。

滿足大功率用電。48V系統(tǒng)汽車不會(huì)發(fā)生人們抱怨的12V系統(tǒng)汽車熄火時(shí)暖通空調(diào)(HVAC)斷電的情形。對(duì)于穩(wěn)定性控制或空調(diào)壓縮機(jī)等依靠大電流的負(fù)載,48V系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)安全和舒適的功能,在性能和效率上更勝一籌。

利用剩余能量。存儲(chǔ)的能量可隨時(shí)用于車窗除霜或加熱座椅�，F(xiàn)在,越來(lái)越多主機(jī)廠正在使用新型紅外發(fā)熱板直接供熱,而不浪費(fèi)電能來(lái)加熱汽車的其余部分。但是,紅外發(fā)熱板的挑戰(zhàn)在于每個(gè)座椅需要約500瓦功率,這幾乎是12V電氣系統(tǒng)所無(wú)法承受的。

因此,對(duì)48V總線配電的需求越來(lái)越明顯,但48V MHEV要想在未來(lái)一段時(shí)間化解汽車電氣化難題,仍需借助供應(yīng)鏈源頭半導(dǎo)體廠商一臂之力。

眾多主機(jī)廠試水48V系統(tǒng)

英飛凌汽車電子事業(yè)部副總裁兼高功率業(yè)務(wù)線總經(jīng)理Stephan Zizala博士認(rèn)為:“未來(lái)十年,全世界大多數(shù)新生產(chǎn)的汽車都將實(shí)現(xiàn)部分或完全電氣化。市場(chǎng)調(diào)研表明,2020年到2030年,采用48V供電系統(tǒng)和MHEV系統(tǒng)的車型產(chǎn)量有可能增加十倍以上。我們所能做的是為輕混動(dòng)力汽車的強(qiáng)勁增長(zhǎng)做好準(zhǔn)備�！�

根據(jù)Navigant的預(yù)測(cè),2025年全球新車銷量中48V MHEV動(dòng)力車可能占據(jù)14%的市場(chǎng)份額,而汽油或或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)份額將減至65%。

目前,48V MHEV市場(chǎng)已出現(xiàn)一大批重要玩家,既有Tier 1,也有主機(jī)廠。如博世、大陸、德?tīng)柛！⒎ɡ讑W、奧地利AVL、日立汽車、舍弗勒、福特、通用、菲亞特、克萊斯勒、豐田汽車、日產(chǎn)、本田、奔馳、寶馬、奧迪、現(xiàn)代汽車、三菱汽車、馬自達(dá)、斯巴魯?shù)?國(guó)內(nèi)的吉利、長(zhǎng)安、北汽、江淮、長(zhǎng)城等企業(yè)也都在布局48V系統(tǒng)車型。

不管是哪種類型的汽車,要在未來(lái)引領(lǐng)市場(chǎng),就要實(shí)現(xiàn)更高的效率,同時(shí)減小體積和重量,降低成本,所以必須采用高效率的功率半導(dǎo)體器件,而汽車的電力系統(tǒng)更是重中之重。

混合動(dòng)力引擎創(chuàng)新案例

2022年,頗負(fù)盛名的英國(guó)房車錦標(biāo)賽(BTCC)將增加一個(gè)新的維度,成為業(yè)界首個(gè)采用MHEV汽車的大型房車錦標(biāo)賽。賽事使用全新德?tīng)査�汽車運(yùn)動(dòng)公司(Delta Motorsport)智能功率密集型電池組,無(wú)需使用交流發(fā)電機(jī),不僅減輕了重量,而且提高了可靠性。

BTCC規(guī)定,車手可以戰(zhàn)術(shù)性地使用電機(jī)提升車輛性能,并提高車輛加速能力。為此,Delta Motorsport設(shè)計(jì)了新的電池組和相關(guān)電子產(chǎn)品。全新的48V鋰離子電池組采用創(chuàng)新型智能電源管理及高功率密度DC-DC轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓系統(tǒng)。電池組為逆變器-電機(jī)組合供電,并使用其產(chǎn)生的再生電力,同時(shí)高功率密度轉(zhuǎn)換器可為汽車的所有電路和設(shè)備供電。這種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功率密度和電源管理水平無(wú)需使用交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng),從而進(jìn)一步減輕重量,提高性能與可靠性。

Delta Motorsport工程總監(jiān)Nick Carpenter表示,該系統(tǒng)利用模塊化供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)實(shí)現(xiàn)了小體積、輕重量和高性能�；旌蟿�(dòng)力系統(tǒng)的三相無(wú)刷電機(jī)通過(guò)雙向逆變器連接電池,雙向逆變器將電池電源輸送至電機(jī),并將電機(jī)產(chǎn)生的再生電力返回到電池。

他介紹說(shuō):“在最初前往維修道的限速行駛過(guò)程中,電機(jī)以純電動(dòng)模式(僅電機(jī),無(wú)內(nèi)燃機(jī))驅(qū)動(dòng)車輛,然后當(dāng)駕駛員要求在比賽中提升性能時(shí),電機(jī)以MHEV模式(與內(nèi)燃機(jī)一起)驅(qū)動(dòng)車輛。”

看看電池組智能與管理有哪些創(chuàng)新?

電池組及電池管理系統(tǒng):可控制所有電池電壓,并確保電池在與電機(jī)-逆變器控制器通信的同時(shí),隨時(shí)處理可能出現(xiàn)的最大充電和放電電壓。根據(jù)電池充電狀態(tài)(SoC),系統(tǒng)不斷計(jì)算并向控制器提供電池能夠提供或接受電流量的更新信息,在低SoC下降低功率需求,而在高SoC下限制再生發(fā)電。系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)監(jiān)控所有可用電池的溫度,并將結(jié)果反饋到可用的功率計(jì)算中。此外,如果出現(xiàn)問(wèn)題,它可以打開(kāi)接觸器,安全地隔離電池組。

供電網(wǎng)絡(luò):用48VDC電源為四個(gè)并聯(lián)的DC-DC轉(zhuǎn)換器供電,后者共同提供高達(dá)92安培的13．8V穩(wěn)壓電源(功率約1．2千瓦)。負(fù)載由四個(gè)轉(zhuǎn)換器共擔(dān),盡管只用三個(gè)轉(zhuǎn)換器(即N+1或航空級(jí)冗余)就可以完全支持負(fù)載。

DC-DC轉(zhuǎn)換器:電源系統(tǒng)使用四個(gè)Vicor DCM3623隔離式穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器ChiP(封裝級(jí)轉(zhuǎn)換器)電源模塊,從電池組提供13．8V穩(wěn)壓輸出,電流最高可達(dá)92安培。由于其外形小巧,轉(zhuǎn)換器安裝在與延伸到電池單元之間直接熱接觸的微孔冷卻板上。電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)日志和診斷可記錄DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能,檢查故障狀態(tài),提供車輛所有準(zhǔn)確電流量的反饋。

這一模塊化電源組件在最初的電池組測(cè)試中表現(xiàn)優(yōu)異,無(wú)需降額運(yùn)行,也沒(méi)有電壓驟降。供電網(wǎng)絡(luò)將最大體積留給了供電的電池單元,而不是電源組件本身,這一點(diǎn)至關(guān)重要。因此,該供電網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì),DCM模塊的可擴(kuò)展性和易于并聯(lián)實(shí)現(xiàn)了模塊化電源架構(gòu),讓Delta在不犧牲功率的前提下實(shí)現(xiàn)了所需的小尺寸DC-DC PDN定制。

Delta還采用了一種用于不間斷電源(UPS)的小型60W隔離式轉(zhuǎn)換器Vicor PI3105,為電池組電子設(shè)備供電,以便在與車輛電源隔離時(shí)維持安全系統(tǒng)運(yùn)行;還允許電子設(shè)備的供電獨(dú)立于車輛,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)檢查的遠(yuǎn)程連接。

比對(duì)12V與48V供電網(wǎng)絡(luò)

未來(lái)的汽車將不可避免地需要更小、更輕及更高效的電源產(chǎn)品來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的性能需求。隨著主機(jī)廠轉(zhuǎn)向能夠處理高功率的48V電池,模塊化方法可以通過(guò)更小、更輕的線纜和連接器提高供電網(wǎng)絡(luò)效率,從而降低功耗和重量。

Vicor應(yīng)用工程總監(jiān)Paul Yeaman認(rèn)為,48V的高密度和高效率對(duì)汽車動(dòng)力至關(guān)重要。他說(shuō):“對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),48V MHEV系統(tǒng)是快速推出排放更低、行駛里程更遠(yuǎn)、油耗更低的全新車輛的捷徑。它還為提高性能并減少二氧化碳排放提供了令人興奮的全新設(shè)計(jì)選項(xiàng)�！�

對(duì)比一下傳統(tǒng)12V集中式架構(gòu)和48V分布式架構(gòu),不難發(fā)現(xiàn),集中式48V-12V DC-DC轉(zhuǎn)換器(SilverBox)大多很笨重,線束也很粗重,因?yàn)槭褂玫氖禽^早的低頻率開(kāi)關(guān)PWM拓?fù)�。此�?它們也會(huì)為大量關(guān)鍵動(dòng)力總成系統(tǒng)帶來(lái)單點(diǎn)故障。

而采用模塊化電源組件的分布式供電架構(gòu)使用更小、更低功耗的48-12V轉(zhuǎn)換器為12V負(fù)載的車輛配電。通過(guò)簡(jiǎn)單的功率方程式P = V ? I和PLOSS = I2R就可以知道為什么48V配電比12V更高效。

與12V系統(tǒng)相比,對(duì)于給定功率級(jí)而言,48V系統(tǒng)電流低四倍、功耗低16倍。在1/4電流下,電纜和連接器更小、更輕,成本也更低。此外,分布式電源架構(gòu)還有顯著的熱管理及電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢(shì)。

Yeaman說(shuō):“引入48V MHEV系統(tǒng),一旦完成設(shè)計(jì),主機(jī)廠就會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,克服對(duì)長(zhǎng)期存在的12V供電網(wǎng)絡(luò)改造的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn)。改變供電通常需要經(jīng)過(guò)大量測(cè)試的新技術(shù),而且可能還需要尊崇汽車產(chǎn)業(yè)的高安全性及高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)供電的全新供應(yīng)商�！�

混動(dòng)和純電動(dòng)車都可用

增加48V電池,可以為動(dòng)力總成及底盤系統(tǒng)負(fù)載供電,為工程師提供各種選項(xiàng)。不過(guò),現(xiàn)在的選擇是,既可以直接處理48V輸入,也可以保留泵、風(fēng)扇和電機(jī)等原有12V機(jī)電負(fù)載,無(wú)需通過(guò)穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器將48V轉(zhuǎn)換成12V。

為了管理變革與風(fēng)險(xiǎn),現(xiàn)有MHEV供電系統(tǒng)在增加48V負(fù)載的同時(shí),仍使用數(shù)千瓦的大型集中式48V至12V轉(zhuǎn)換器,將整個(gè)汽車的12V電源提供給12V負(fù)載。然而,這種集中式架構(gòu)不僅沒(méi)有完全利用48V PDN的優(yōu)勢(shì),而且也沒(méi)有利用現(xiàn)在可用的高級(jí)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹⒖刂葡到y(tǒng)與封裝的優(yōu)勢(shì)。

Vicor全球汽車業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁Patrick Wadden認(rèn)為:“使用高密度積木式設(shè)計(jì)的48V分布式電源架構(gòu)才是更具優(yōu)勢(shì)的做法。而且,不管是混動(dòng)還是純電動(dòng)車都可以使用這樣的方法。”

分布式供電的模塊化方法的最大優(yōu)勢(shì)是高度可擴(kuò)展性。

混合動(dòng)力車:根據(jù)不同分布式負(fù)載的電源分析,可以設(shè)計(jì)一個(gè)模塊并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)功率粒度及擴(kuò)展性認(rèn)證,用于并行陣列擴(kuò)展。通過(guò)使用分布式模塊代替大型集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器,能夠以顯著降低的成本實(shí)現(xiàn)N+1冗余。如果在汽車開(kāi)發(fā)階段負(fù)載功率有變,該方法依然有優(yōu)勢(shì)。工程師可以增減模塊,無(wú)需對(duì)整個(gè)已完成定制電源進(jìn)行修改。另一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,因?yàn)槟�塊已獲得了相應(yīng)認(rèn)證。

混合動(dòng)力車的模塊化方法

純電動(dòng)汽車:由于動(dòng)力總成和底盤系統(tǒng)的高功率需求,需要使用高壓電池。48V SELV(安全特低電壓)PDN對(duì)主機(jī)廠來(lái)說(shuō)仍然有很大好處,但是,現(xiàn)在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨著一個(gè)額外的挑戰(zhàn),即高功率800V或400V至48V的轉(zhuǎn)換。

由于400V或800V配電的安全性要求,這種高壓隔離轉(zhuǎn)換器的分散非常困難而昂貴。然而,可利用電源模塊設(shè)計(jì)一種大功率集中式定比轉(zhuǎn)換器來(lái)代替大型SilverBox DC-DC轉(zhuǎn)換器。

那么,就可以使用適當(dāng)粒度和可擴(kuò)展性級(jí)別的電源模塊,然后很容易并聯(lián)起來(lái)滿足一系列具有不同動(dòng)力系統(tǒng)和底盤電氣化要求的車輛。

純電動(dòng)車的模塊化方法

48V系統(tǒng)的未來(lái)

在汽車市場(chǎng)上,48V電源技術(shù)正在迅速發(fā)展,以充分滿足純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車以及輕度混合動(dòng)力汽車的需求。分布式模塊化的汽車供電架構(gòu)可簡(jiǎn)化復(fù)雜的供電挑戰(zhàn),從而提高性能和生產(chǎn)力,縮短上市時(shí)間。

還有最重要的一點(diǎn),輕混動(dòng)力48V系統(tǒng)能以30%的成本提供完全混合動(dòng)力汽車70%的好處,特別是在節(jié)能減排方面效果不錯(cuò)。