在12V的基础上增加48V系统会带来多少好处,你知道吗?

2020年09月16日 16:41
目前混动汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)的设计非常引人注目,但是汽车行业还有一个不太起眼但却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,虽然纯电动汽车和混动汽车的市场份额在不断增长 (图1)。


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 (资料来源:Delphi Technologies)

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系统会很快消失,因为在可以预见的未来,12V可能会和48V系统共存。

那么48V系统有哪些独到之处呢?答案需要从电力的角度来看,回到欧姆定律以及与压降 (V=IR)、功率 (P=IV) 和功率损耗 (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一起决定。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。

这并不算是新发现,最早一批的电力领域先锋企业早就知道这些,这也是他们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的更好解决方案,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,可以兼顾尺寸、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、车灯、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,现在还会集成很多与安全和便捷性有关的其他功能,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需要更大的电流。然而在12V下保持IR下降和I2R功率损失在可接受的水平需要采用更粗的电线、更多的铜制材料和更大的连接器,这意味着成本、体积的增加,车辆系统内也会显得更加的拥挤。

48V供电是新形式的12V吗?

经过大量的分析,业界决定采用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:从某些方面来说,12V/48V轻混系统是一个折中方案,但与其他折中方案不同,这种方案有很多的直接优势,能降低成本,提升效益和回报率 (资料来源:Delphi Technologies)

在此方案中,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供电,而48V总线将负责底盘控制系统、空调、主动/调整悬架、存储再生制动能量、驱动电动增压器和涡轮等。


图3:双电压轻混方式将为各项功能有效分配电压和可用功率,从效率和运行的角度来看这是最有意义的 (资料来源:Delphi Technologies)

请考虑一个基本组件:发动机启动器。48V电池如何改变发动机启动器的基本架构,从而更好地增强启停效果。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。但是48V和12V的组合使用可以提供高达10 kW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,这其实是一种轻混动力系统,与内燃机协同工作。拥护者声称它可以提供全混三分之二的好处,但是只需要付出三分之一的成本,经济效益增加了15%到20%。

不过选择48V也引出了两个问题: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它所带来的设计上的改动。此外关于汽车是否应该完全淘汰12V电池而仅采用24V电池,还是让它们共存,这个争论也一直未解决。

至于48V以上,则会给用户带来安全问题。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是传统和轻混系统所能达到的最高水平,因此可以避免额外的安全相关设计问题。

需要哪些必要条件

采用48V系统不仅仅是需要一个新的电池结构。除了直径更小的线束和更小的连接器之外,还需要规定允许的线束弯曲半径 (线束越细,允许的弯曲度越大,布线也更方便)。另外还要考虑线束绝缘以及其他“机械”变化。这些都是显而易见且容易掌控的变化,但是由于12V和48V总线并不是相互隔离的,因此需要新的功能模块来共同管理它们 (图4)。


图4:两条总线之间的关系很复杂,需要仔细分析它们的共存所带来的影响 (资料来源:Texas Instruments)

其他不太明显的变化也是有的。为12V总线上可能出现的高达30V和40V电压峰值而定制的电路保护组件需要更高的额定电压才能与48V总线协同工作,因为额定电压较低的组件在48V总线上会发生断路。即使是基本的熔断器(本质上是对电流敏感的器件)也对自身承受的电压有最大的额定值,因此需要在物理和电气方面进行调整以适应较低的电流(比较容易)和较高的电压(稍微困难)。同样,保护电池避免反向连接的标准组件也是每个电路模块必不可少的,在主线束意外连错时需要合理地处理可能产生的更高的反向电压。

不过真正的挑战是从电池管理开始。在大多数系统中需要监测和管理多个具有相同额定电压的电池,但是对于12V/48V这样的设计,有两个差别很大的电压。从总体电源管理的角度来看,48V和12V电池最好能在适当的情况下共享和交换电能。

集成电路 (IC),比如Analog Devices的LTC3871芯片就是为这种情况而设计的 (图5)。这种双向的降压/升压开关稳压器 (控制器) 允许两个电池通过将其中一块电池的能量转换给另一块电池,同时向负载供电。它会根据处理器发出的控制信号来切换从VHIGH 到VLOW的降压模式以及从VLOW到VHIGH的升压模式。与此同时,其精确的电流调节回路可以在两个方向上传输最大电流。


图5:Analog Devices公司的 LTC3871芯片是一款双向降压/升压开关稳压器 (控制器),允许两个电池必要时向负载提供能量 (资料来源:Analog Devices)

48V电池本身很特别。原则上它的结构可以由四个12V铅酸电池串联而成,但这样会占用太多的空间,需要较粗的连接线缆。不过48V电池是一种锂离子电池,专门设计用来提供这种电压,其体积与12V电池大致相同。

Bosch为汽车的48V系统提供了一款电池设计 (图6)。电池尺寸仅309mm × 175mm × 90mm,因此可以放在汽车座椅或后备箱中。它是一个无源冷却组件,不需要风扇 (否则会导致成本升高且可靠性降低),也不会产生噪音。这个7kg重的装置可以提供高达13kW的功率,此外它还支持能量回收充电。


图6:Bosch生产的这款锂离子电池是一种48V电池,它可以放在汽车座椅下面,并且采用无源降温方式 (资料来源:Robert Bosch GmbH)

总结

12V电池为汽车工业提供了良好的服务,其长期以来的应用表现清楚地证明了这一点。然而由于其IR损耗、功率损耗等问题,这种单一的低压总线方案已经不能满足当今汽车快速增长的电能需求了。

现在的解决方案采用48V电池作为补充,这并不是“即将到来”的一种预测,因为它已经在很多汽车的动力系统中获得应用,包括燃油汽车、轻混、全混电动汽车以及纯电动汽车。48V解决方案的应用正在迅速扩大,因为它是解决现在电力问题的唯一可行方案。

采用这种新的架构需要新的线缆、连接器、有源(电源管理IC)和无源(保护设备)组件,以及48V锂离子电池。也许在未来的一二十年后,12V电池只能作为历史印记在一些古董车展上看到,但是在可预见的未来,12V和48V电池以及它们的总线将会共存并且相互作用,从而提供更加高效的电力解决方案。


文章来源:贸泽电子

作者简介:Bill Schweber是贸泽电子撰稿人,也是一名电子工程师。他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理员以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司(模拟与混合信号IC的领先供应商)负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。

在担任ADI的MarCom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。

他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还规划、编写并演示了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。