ADI：48V電源系統(tǒng)有望成為未來汽車新標(biāo)準(zhǔn)

48V 電源系統(tǒng)：不只是 HEV/EV 的專屬，有望成為未來汽車新標(biāo)準(zhǔn)

無論每年銷售多少輛汽車，車用電子組件市場都將繼續(xù)增長。對混合動力和全電動汽車的追求是促進(jìn)這一市場增長的催化劑。用電池作為電源日益流行，與此同時，還需要最大限度延長電池的使用壽命。電池失衡以及組成電池包的各節(jié)電池的充電狀態(tài)失配，是大型鋰離子電池包的問題，這是由制造過程中的各種變化、運(yùn)行條件和電池老化造成的。電池失衡可能減小電池包的總?cè)萘浚⒂锌赡軗p壞電池包。失衡妨礙電池跟蹤充電狀態(tài)和放電狀態(tài)，而如果充電狀態(tài)和放電狀態(tài)未得到密切監(jiān)視，可能導(dǎo)致電池過度充電或過度放電，這將永久性地?fù)p壞電池。

電池?zé)o論是用于混合動力 / 電動汽車 (HEV) 的電池包，還是用于電動汽車 (EV) 的電池包，通常電池制造商都會針對容量和內(nèi)部阻抗對電池分類，以減少交付給客戶的任一給定批次電池之間的差異。然后，用經(jīng)過仔細(xì)選擇的電池構(gòu)成汽車電池包，以改善電池包中電池之間的總體匹配度。理論上，這么做應(yīng)該能夠防止電池包中產(chǎn)生大幅度失衡，但是盡管如此，當(dāng)構(gòu)成大型電池包時，仍然需要電池監(jiān)視和電池平衡，以在電池包的壽命期內(nèi)保持較大的電池容量。正是由于能夠滿足這種需求，ADI 新的電池管理系統(tǒng) (BMS) 產(chǎn)品才得到了好評，成為目前在產(chǎn)轎車和公共汽車中為數(shù)不多的成熟 BMS 產(chǎn)品之一。

此外，電池不再是僅用于 HEV 或 EV 的東西了，新提出的汽車標(biāo)準(zhǔn) LV148 使某些 2017 款汽車整合了輔助 48V 總線和現(xiàn)有 12V 系統(tǒng)。48V 軌包括一個集成式啟動發(fā)電機(jī) (ISG) 或帶式啟動發(fā)電機(jī)、一個 48V 鋰離子電池以及一個用于從 48V 和 12V 組合式電池提供高達(dá) 10kW 可用電能的雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這種技術(shù)面向傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車以及混合動力電動車和輕度混合動力汽車，因為汽車制造商要努力滿足日益嚴(yán)格的 CO2 排放目標(biāo)。

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Analog Devices 公司電源產(chǎn)品市場總監(jiān) Tony Armstrong

48V 電源系統(tǒng)已在路上，燃料經(jīng)濟(jì)性大幅度提高

對于以上探討的新標(biāo)準(zhǔn)而言，12V 總線將繼續(xù)給點(diǎn)火、照明、信息娛樂和音頻系統(tǒng)供電。48V 總線將為主動底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)、可調(diào)懸掛系統(tǒng)、以及電子超級電容器 / 渦輪增壓機(jī)供電并支持再生制動。預(yù)計不久一系列生產(chǎn)型號的汽車就會提供 48V 總線，額外使用這條 48V 總線的決定還能夠支持發(fā)動機(jī)啟動，這會使停 - 啟運(yùn)行更平滑。此外，電壓越高，意味著所需電纜橫截面越小，因此電纜的尺寸和重量都減小了。如今的高端汽車可能有超過 4km 長的配線。汽車將變得更像 PC，為使用大量即插即用型設(shè)備創(chuàng)造了可能性。平均而言，遠(yuǎn)距離上下班往返的人一天有 9% 的時間在車?yán)锒冗^。因此，將多媒體和遠(yuǎn)程信息處理引入汽車可以提高生產(chǎn)率，并提供額外的娛樂。

48V 電池系統(tǒng)的未來近期就會實(shí)現(xiàn)。按照一些汽車制造商的說法，就內(nèi)燃機(jī)車輛而言，基于 48V 的電氣系統(tǒng)的燃料經(jīng)濟(jì)性可提高 10% 至 15%，因此降低了 CO2 的排放量。

此外，使用 48V/12V 雙系統(tǒng)的未來汽車將允許工程師集成獨(dú)立于發(fā)動機(jī)負(fù)載運(yùn)行的電升壓器技術(shù)，因此改善了加速性能。已處于高級開發(fā)階段的壓縮機(jī)放置在感應(yīng)系統(tǒng)和冷熱氣自動調(diào)節(jié)機(jī)之間，并用 48V 支持渦輪增壓機(jī)旋轉(zhuǎn)。

克服雙向降壓 / 升壓技術(shù)節(jié)點(diǎn)
對于用 12V 和 48V 電池運(yùn)行的雙向降壓型和升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，目前是有需求的。這類 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可用來給這兩種電池的任一種充電，如果需要，還允許兩種電池給相同的負(fù)載提供電流。大多數(shù)早期的 48V/12V 雙電池 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計都使用不同的電源組件對電壓進(jìn)行升壓和降壓。因此，ADI 設(shè)計和開發(fā)了 LTC3871，這是一款雙向 DC/DC 控制器，升壓轉(zhuǎn)換時使用的外部電源組件與降壓時相同。

LTC3871 是一款 100V/30V 雙向、兩相同步降壓型或升壓型控制器，在 12V 和 48V 電路板網(wǎng)絡(luò)之間提供雙向 DC/DC 控制和電池充電。該器件從 48V 總線到 12V 總線以降壓模式運(yùn)行，或者從 12V 至 48V 以升壓模式運(yùn)行。任一模式都可通過所加的控制信號按需配置。多達(dá) 12 個相位可以并聯(lián)并采用不同相的時鐘，以針對大電流應(yīng)用 (高達(dá) 250A) 最大限度降低輸入和輸出濾波要求。并聯(lián)時，其先進(jìn)的電流模式架構(gòu)在相位之間提供出色的電流匹配。采用 12 相設(shè)計可在降壓模式或升壓模式提供高達(dá) 3kW 功率。

當(dāng)啟動汽車或需要更大電力時，通過將一個電路板網(wǎng)絡(luò)的能量轉(zhuǎn)換到另一個電路板網(wǎng)絡(luò)中，LTC3871 允許同時用兩種電池供能?？梢詫?shí)現(xiàn)高達(dá) 97% 的效率，內(nèi)置電流設(shè)定環(huán)路調(diào)節(jié)在任一方向上可給負(fù)載提供最大電流。4 個控制環(huán)路 (兩個用于電流，兩個用于電壓) 在 48V 或 12V 電路板網(wǎng)絡(luò)中支持電壓和電流控制。

LTC3871 以用戶可選的 60kHz 至 475kHz 固定頻率工作，可同步至一個相同頻率范圍的外部時鐘。在輕負(fù)載時，用戶可以選擇連續(xù)運(yùn)行或脈沖跳躍模式。其他特點(diǎn)包括過載和短路保護(hù)、面向降壓和升壓模式的獨(dú)立環(huán)路補(bǔ)償、用于提高效率的 EXTVcc、在整個溫度范圍內(nèi) ±1% 的輸出電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度、以及欠壓和過壓閉鎖。LTC3871 滿足 AEC-Q100 規(guī)范要求，并設(shè)計為涵蓋 ISO-26262 系統(tǒng)的診斷范圍。LTC3871 采用耐熱增強(qiáng)型 48 引線 LQFP 封裝。提供 3 種溫度級版本，擴(kuò)展和工業(yè)溫度級版本在 –40°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，高溫汽車級版本在 –40°C 至 150°C 溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。以下圖 1 顯示其典型應(yīng)用原理圖。原理圖頂部的 P 溝道 MOSFET 用于過流和短路保護(hù)。

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圖：LTC3871 雙向充電器 / 電源原理圖，26V 至 58V 輸入，12V 輸出，提供 30A 電流

預(yù)計，一些汽車制造商將在其 2018 款新車中首次引入 48V 系統(tǒng)。既然是首次引入，那么出現(xiàn)某些問題也是正常的，就因為是首次引入。然而，這些系統(tǒng)將能夠正常發(fā)揮作用，制造商會迅速改正所發(fā)現(xiàn)的任何問題。

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