汽车工业领域定义并构建基于48V电池系统

汽车工业的电气化以不断增长的速度发展，主要受政府颁布关于二氧化碳（CO2）减排标准的驱动。欧盟制定了到2020年新车排放量仅有95g/km的目标。中国等其它国家正在制定类似的法规。为了满足这些标准，汽车制造商正在开发轻型混合动力电动车辆，其使用除标准12V汽车电池之外的次级高压电池。

德国汽车制造商已开始定义并构建基于48V电池的系统。48V电池可在比传统12V电池更低的电流下提供更多的功率，同时节省线束重量，而不会影响性能。在这种发展过程中，LV148标准已成为双电池汽车系统的主要出发点。双电池系统的顶层框图如图1所示。

图1：双电池汽车系统的框图

建议的系统有哪些挑战？如何克服障碍？许多OEM系统要求声明，能量必须从48V轨道传输到12V轨道，反之亦然。若电池放电，则需要双向电力传输来为电池充电，并且在过载条件下为相反的电压轨提供额外电力。为了在不损坏电池的情况下对电池充电，控制器必须能够非常精确地控制充电电流。在大多数汽车应用中，最大功率传输不小，通常处于2kW至3kW的范围内。两个轨道上的电压变化可能很大。根据LV 148规范，48V电源轨通常处于36V和52V之间，而12V电源轨可处在6V至16V的范围内。保护电路还必须存在，用于可能损坏系统的任何故障条件。凭借这些要求，很明显，桥接48V和12V电压轨所需的DC / DC转换器并非一个简单的设计项目。

意识到48V电源轨和12V电源轨的电压范围从不重叠大大降低了设计复杂性。对于从48V电源轨到12V电源轨的电源传输，可以使用降压转换器，而使用升压转换器可实现12V至48V电源轨方向的电源传输。由于千瓦级功率要求，每个转换器应使用同步MOSFET代替续流二极管，以提高系统效率。

降压和升压拓扑在电力电子中是众所周知的，但是设计两个单独的转换器将占用宝贵的电路板空间，并增加系统复杂性和成本。仔细观察这两种拓扑结构可以看出，降压和升压转换器的功率链非常相似。两个拓扑结构由至少两个功率MOSFET、一个电感器和一定量的输出电容组成。控制器是拓扑之间的区别。在降压拓扑中，受控开关是高侧MOSFET；而在升压拓扑中，它是低侧MOSFET。通过简单地改变受控开关，假设您选择了正确的控制器，可在使用相同的动力传动系部件的同时改变电感器中的电流流动方向。图2所示为从两个转换器解决方案到单个转换器解决方案的演进过程。

图2：单控制器双向转换器的演变过程

虽然同步开关对于高电流设计很有必要，但它并非对所有障碍物有效。在2kW的功率下，12V电源轨将导通约166A。快速查看这些内容，您会发现，您将需要多相操作来在实际操作中实现这个设计。通过使用多相架构，可以减少组件的物理尺寸，并使热管理变得更加容易。为了更容易地并联每个电源相位，降压或升压模式操作中的控制方案应该是电流模式控制。多相操作还允许每个相位的交错切换。在每个时间不切换每个相位可减少输出纹波，这又有助于减少电磁干扰（EMI）。

在所有系统中，您必须设计用于操作员安全的保护电路。常见的保护功能，如欠压锁定（UVLO）和过压保护（OVP），确保电池不会充电过猛或过度充电。峰值电感器电流限制有助于防止每个电源相承受过大应力，并使电感器饱和。在双电池汽车设置中，还需要断路器来断开48V和12V轨道之间的任何电连接。监控电路还可以帮助扩展安全功能。例如，在能量传输期间，监视每个通道中的电流可以指示是否或何时发生故障状况。

数字控制DC / DC转换器是一种可能的解决方案，但是该方法存在几个主要缺点。首先，需要大量的分立元件：每相的电流检测放大器、功率MOSFET栅极驱动器、保护电路和监控电路。每个元件将占用印刷电路板（PCB）上的宝贵空间。第二，需要高端微控制器来实现转换器的电流和电压控制环路。第三，微控制器还在保护电路中引入延迟，这可能在高功率水平下引起灾难性损坏。第四，数字控制的设计周期可以是几年的数量级。您必须深入了解开关电源和数字控制。话虽这么讲，但还有一些额外的优点。从系统级来看，数字控制可以更加灵活，允许控制方案参数和调节电压的动态变化。与其它子系统共享信息可提高总体系统性能。

TI的LM5170-Q1同步双相双向降压/升压控制器解决了许多这些挑战。集成电流检测放大器、高电流栅极驱动器和系统保护功能（包括集成断路器和通道电流监控）消除了数字解决方案中所需的许多分立元件。并行堆叠多个控制器可交付千瓦功率，同时通过LM5170-Q1的专有平均电流模式控制方案优化电流充电电池的控制。阅读博文“选择双向转换器控制方案”，了解TI的平均电流模式控制方法与常规控制方案的对比情况如何。桥接48V电池和12V电池很复杂，但若您仔细考虑各个步骤的话，也是有可能实现的。