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在动力系统中增加48V直流(DC)总线

贸泽电子设计圈 2018-12-27 12:25 次阅读

目前混动汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)的设计非常引人注目,但是汽车行业也有一个不太明显但是意义重大的发展趋势:在动力系统中增加48V直流(DC)总线。48V不仅适用于混动汽车和纯电动汽车,更多普通的内燃汽车也将采用这种技术,从图1可以看出纯电动汽车和混动汽车的市场份额不断增长。

图1:电动汽车市场(包括纯电动汽车和混动汽车)预计在未来几年会迅速增长,48V的采用将成为有利于增长的一个要素(来源:Delphi科技)

工程师和汽车机械师从小就接触无处不在的12V电池和汽车零部件(这是已有100多年历史的行业标准),但是不需要担心12V系统不会很快消失,然而在可以预见的未来12V可能会和48V系统共存。

那么48V系统有哪些独特之处呢?答案需要从电力的角度来看,回到欧姆定律、压降(V=IR)、功率(P=IV)和损耗功率(P=I²R)有关的物理定律上来,虽然压降(损耗)随电流线性增加,功率损耗随电流的平方而增加,但是输送功率需要电流和电压来决定,简而言之在给定电压下输出更多的功率需要更大的电流,而电流越大,压降越高,功率损失也不可恢复。

这并不是一个新的发展方向,电力领域的解决方案提供商早就熟知这些,这也是他们为什么采用更高电压的原因,他们寻求为路灯系统、家庭和工业场所供电更好的解决方案,但是对于汽车而言从可充电铅酸电池获取12.6V(标称值)电压是一个很好的折中方案,可以兼顾体积、容量(安培小时)、成本、寿命和安全等因素。

然而现在的汽车需要比几年前的汽车更多的动力,除了发动机、灯、收音机、电动天窗、电动助力转向、网络和信息娱乐等基本功能,现在还会集成很多其他安全便捷的功能,这些功能通常会归入高级驾驶辅助系统(ADAS)范畴内,ADAS系统对电池提出了更高的要求,需要更多的电力,因此采用12V电源为各种核心部件和外设供电会造成更大的电流,然而在12V下保持IR下降和I²R功率损失在可接受的水平的方法是采用更粗的电线、更多的铜制材料和更大的连接器,这反过来意味着成本、体积的增加,在车辆系统内会显得更加的拥挤。

48V供电是新的12V形式吗?

经过了大量的分析行业内决定采用48V作为新的电源系统,与传统的12V铅酸电池不同,48V电池采用锂电池,具有更高的重量和体积能量密度,比较有名的是“mild Hybrid(微混或者轻混)”(图2)。

图2:在某些方面12V/48V微混系统是一个折中的方案,但与其他折中方案不同,这种方案有很多的优势,降低成本,提升效益和回报率(来源:Delphi科技)

在这种方法中,48V电池——按照汽车标准LV148的规定——作为补充与12V铅酸电池结合使用(这样能够提供3KW的额定功率),如图3所示。12V电池和48V电池将连同他们的配电线束一起使用,在需要功率输出的时候两块电池都提供能量输出,比如12V总线可以为点火、照明和信息娱乐系统提供电源,而48V总线将负责底盘控制系统、空调、调整悬架、回收制动能量、驱动电动增压器和涡轮等。

图3:双电压微混方式将有效分配电压和可用的功率,从效率和运行的角度来看这是最有意义的(来源:Delphi科技)

考虑一个基本组件:发动起启动器,48V电池如何改变发动机启动器的基本架构,从而更好的增强启停效果,这种方式有利于减少在红绿灯和停车等待时的燃油消耗,进一步增强燃油效率。在大多数只有12V电池的汽车中电池为启动器提供动力,交流发电机作为充电器,然而48V和12V的组合使用可以提供高达10KW的功率,启动电机和独立的交流发电机被集成的启动发电机(ISG)或带式启动发电机所取代,48V锂离子电池和双向DC/DC转换器会被封装在坚固的盒子内,这其实是一种弱混动力系统,与内燃机协同工作。它可以提供三分之二的好处,但是只有三分之一的成本,而经济效益增加了15%到20%。

同时选择48V也引出两个问题:为什么不从12V直接改为24V呢?既然更高的电压能带来更多的好处,那为什么把电压限制在48V呢?对于这些问题有很多不同的回答。

大约在10年前关于24V的讨论非常的激烈,一些主要厂商甚至开始生产24V连接器、开关、继电器和其他基础部件。但是采用24V的好处并不足以支持这种改动。此外关于汽车是否应该完全淘汰12V电池仅采用24V电池,还是让它们共存,这个争论一直未解决。

至于48V以上会存在用户安全问题,在大多数地区超过60V的直流电压被认为是潜在的不安全因素,因此需要特殊的接线注意事项、安全锁、使用导管和物理屏蔽等。尽管48V系统实际上可能达到略低于60V的峰值,但它被认为是安全的,从而避免了这方面的问题(注意对于纯电动汽车和混动汽车与主电池相关的电压会远远超过60V,因此设计中考虑了所有安全规则和预防措施),48V是传统微混系统所能达到的最高水平,从而避免额外的安全相关的设计问题。

原文标题:【原创】在12V的基础上增加48V会带来重大的好处(一)

文章出处:【微信号:Mouser-Community,微信公众号:贸泽电子设计圈】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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