適用于輕度混合動力汽車的48V汽車系統(tǒng)

　　前言

　　隨著全球各地對環(huán)境狀況(特別是空氣質量)這一問題的關注日益提升，汽車的CO2排放量需要通過減少汽車的平均油耗來降低。實現(xiàn)這一目標的方法之一就是采用混合動力發(fā)動機，而不是純內燃發(fā)動機(ICE)動力汽車。

　　在典型的汽車中，牽引動力系統(tǒng)必須能夠在非常寬泛的功率和速度條件范圍內運行，這通常以“轉矩-速度”范圍來表示。混合動力系統(tǒng)的采用讓系統(tǒng)設計者能夠自由地在不同的轉矩-速度范圍內，以優(yōu)化每項系統(tǒng)性能的方式，對多重動力源進行布置。電動力源可提供非常高的轉矩，且在加速汽車時非常有用，但它僅在有限的時間段內可用。所涉及的具體時間取決于電池大小和電機的轉矩輸出。借助這種可產(chǎn)生動力源的高轉矩，ICE尺寸得以顯著縮小。這使其燃油能效也大大提升。然而，添加電動力源當然并非簡單的工程問題，需要一種有關許多汽車系統(tǒng)設計考量的方法。

　　傳統(tǒng)上，通過添加高壓(?350V)電池和直接耦合至ICE動力系統(tǒng)的高性能電機，電氣化已經(jīng)得以實現(xiàn)。這些'全'混合動力汽車的定義類別一直是節(jié)能汽車，且從提升能效角度看也頗具吸引力。但是，它們也使汽車的成本和重量大大增加。

　　最近，48V汽車系統(tǒng)架構得到了相當多的關注。這些系統(tǒng)可以說是是向著全混合動力汽車前進的一步。通常情況下，稱它們?yōu)椤拜p度混合動力(Mild Hybrids)”，但當在更低的功率級別下設計時，也可歸類為“微混合動力(Micro Hybrids)”。它們采用相對緊湊的48V電池、高性能電機、以及至少一個額外的48V電氣化子系統(tǒng)。48V系統(tǒng)更低的成本使其在許多汽車OEM廠商眼中頗具吸引力，它們很快將成為大多數(shù)汽車制造商產(chǎn)品組合中的一部分。

　　48V架構

　　48V架構的選擇寬泛，且在不斷增加。最基本的系統(tǒng)包括一塊電池、一個起動發(fā)電機、一個48V至12V轉換器，且通常至少有一個48V負載。由于48V汽車仍然保留12V電池和多個12V負載，因此目前這些系統(tǒng)可能會以雙電壓系統(tǒng)的形式存在。

　　圖1.典型48V輕度混合系統(tǒng)電氣拓撲結構

　　憑借這些雙電壓系統(tǒng)，大量的新配置成為可能。由于48V系統(tǒng)基本上能夠提供更高的功率水平，因此它將支持全新更高功率的外設，如48V E-Turbo和48V E-Roll穩(wěn)定系統(tǒng)。此外，更高的功率可用性將推動耗電的12V負載遷移至48V總線，以充分利用更高的能效。

　　起初，雙電壓系統(tǒng)的12V系統(tǒng)側將保持原樣，減去12V交流發(fā)電機。由于沒有12V電源的發(fā)電源，因此需要有一個轉換器負責將48V產(chǎn)生的電力轉移到12V側。盡管轉換器需要高能效，但它仍會對所有12V負載施加損耗懲罰，因其需要通過轉換器獲取電源。在增加的損耗和功率限制之間產(chǎn)生了強大的誘因，能夠將12V外設移至48V運行。

　　這些轉換器在設計上為雙向的，在高需求期間可同時使用兩種電池。雙向轉換器能夠將來自任一電池的電源轉換到另一電池，并且可能存在于未來某一段時間內。

　　除冗余之外，保留12V啟動器并沒有技術上的原因，將其拆移除可能會成為未來的趨勢。如果不再需要它，那么12V電池的尺寸能夠顯著減小，甚至可以完全移除。但這將是一個大膽的舉動，需要非常謹慎地對轉換器進行設計。

　　對于48V系統(tǒng)側，起動發(fā)電機是主要部件。它負責汽車所有電力生成、以及汽車起動。它還能在汽車制動期間執(zhí)行再生能量回收。在此模式下，機器作為發(fā)電機為動力系統(tǒng)提供負轉矩，減慢車速并恢復電池電量。起動發(fā)電機有多種配置和功率級別，每個都有著非常具體的實施目標。

　　混合動力領域采用了一個簡寫代碼來確定電機在底盤子系統(tǒng)中的位置。該系統(tǒng)通過使用一組Px指示器來生成標簽，指示電機與動力系統(tǒng)耦合的每個位置。指示器(P0至P4)的數(shù)值在功率插入點穿過車尾時會上升。

　　圖2. Px混合系統(tǒng)術語和示例功率級別

　　由于BSG的插入點位于發(fā)動機的前端附件驅動(FEAD)處，因此BSG的功率級別是最小的，其中轉矩的傳輸必須通過鋼帶連接。由于其通過鋼制齒輪耦合，所以底盤的其余插入點(P2-P4)都具有更高的功率水平。另外，更高功率的機器具有能夠為ICE提供牽引輔助的附加功能。這意味著除了由ICE提供的動力之外，電動力源還也能夠提升汽車的加速度。在某些配置下，可以想象在ICE關閉的情況下，汽車單靠電動力源即可開動。這取決于電機可用的牽引輔助量及其在底盤子系統(tǒng)中的位置。

　　48V子系統(tǒng)

　　雙電壓系統(tǒng)需要增加48V至12V電源轉換器。在沒有12V交流發(fā)電機的情況下需要為12V系統(tǒng)供電，就需要該組件。由于需要雙向行為和高能效，所以需要專門的設計方法。這些轉換器的典型功率范圍在1kW至3kW范圍內，為了在這樣的大功率范圍內保持高能效，多級降壓-升壓轉換器是當前最流行的拓撲結構。降壓拓撲結構允許電力從較高電壓側流向較低電壓側。與之類似地，升壓拓撲允許反方向的功率流動。多級設計允許共享許多單獨的轉換器子電路，以組合成一個高功率設計。在轉換器輸出負載很重的情況下，所有的子電路都能夠工作。當轉換器輸出輕負載時，許多子電路將被關斷，從而提供更低的損耗和更高的能效。

　　能想得到的48V負載有多種多樣，而許多較高的功率負載無法通過12V系統(tǒng)實現(xiàn)。其中最高的是電控增壓器。由于增壓器需要在幾分之一秒內加速到極高的速度，因此需要相當高的瞬態(tài)功率。典型的增壓器驅動包括一個低慣性三相電動機，由一個三相逆變器驅動。盡管平均功率相對較低，但峰值功率可達8kW以上。如此寬泛的功率范圍配置可完美匹配48V系統(tǒng)。許多其它汽車子系統(tǒng)也非常適合48V架構，無論是單相還是三相配置。圖3中列出了可能的48V負載。

　　圖3. 輕度混合子系統(tǒng)組件摘要

　　其它48V系統(tǒng)

　　48V電池系統(tǒng)由鋰離子電池構成，相較于鉛酸電池，它需要更多的注意和處理。鑒于此，48V汽車需要電池管理系統(tǒng)(BMS)。該系統(tǒng)負責監(jiān)控電池電壓和電池溫度，以便能夠安全地為電池充電。由于48V系統(tǒng)具有再生能力，這種情況也變得更為復雜。當汽車電池的剩余電量足夠低時，可發(fā)出再生指令，但是對BMS的控制需要非常謹慎，這對于防止過充或過熱至關重要。

　　48V電路對熔斷和接觸也有更為復雜的要求。目前尚不確定，如果用于48V系統(tǒng)，12V刀片式保險絲能否提供足夠的電弧防護。而且，由于48V系統(tǒng)所需的繼電器觸點距離將大于12V系統(tǒng)所需的，因此需要重新設計保險絲和繼電器。由于這些組件的要求都可以通過采用半導體器件輕松滿足，所以這些問題很可能通過電子方案來解決。

　　結論

　　將48V系統(tǒng)添加到12V汽車將讓設計人員有機會實現(xiàn)當今汽車所需的燃油能效提升。它還將大大增加對新型創(chuàng)新的電力電子電路的需求，雖然48V架構的許多變體將會出現(xiàn)，但最終的評判將在汽車客戶權衡特性優(yōu)勢與成本之后得出。