目前混動(dòng)汽車（HEV）和純電動(dòng)汽車（EV）的設(shè)計(jì)非常引人注目，但是汽車行業(yè)還有一個(gè)不太起眼但卻意義重大的發(fā)展趨勢(shì)：在動(dòng)力系統(tǒng)中增加48V直流（DC）總線。48V不僅適用于混動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車，更多普通的內(nèi)燃汽車也將采用這種技術(shù)，雖然純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車的市場(chǎng)份額在不斷增長(zhǎng) (圖1)。
圖1：電動(dòng)汽車市場(chǎng)（包括純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車）預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年會(huì)迅速增長(zhǎng)，48V的采用將成為有利于增長(zhǎng)的一個(gè)要素 (資料來(lái)源：Delphi Technologies) 工程師和汽車機(jī)械師從小就接觸無(wú)處不在的12V電池和汽車零部件 (這是已有100多年歷史的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))，但是不需要擔(dān)心12V系統(tǒng)會(huì)很快消失，因?yàn)樵诳梢灶A(yù)見的未來(lái)，12V可能會(huì)和48V系統(tǒng)共存。 那么48V系統(tǒng)有哪些獨(dú)到之處呢？答案需要從電力的角度來(lái)看，回到歐姆定律以及與壓降 (V=IR)、功率 (P=IV) 和功率損耗 (P=I2R) 有關(guān)的物理定律上來(lái)。雖然壓降（損耗）隨電流線性增加，功率損耗隨電流的平方而增加，但是輸送功率需要電流和電壓來(lái)一起決定。簡(jiǎn)而言之，在給定電壓下輸出更多的功率需要更大的電流，而電流越大，壓降越高，功率損失也不可恢復(fù)。 這并不算是新發(fā)現(xiàn)，最早一批的電力領(lǐng)域先鋒企業(yè)早就知道這些，這也是他們采用更高電壓的原因。他們尋求為路燈系統(tǒng)、家庭和工業(yè)場(chǎng)所供電的更好解決方案，但是對(duì)于汽車而言，從可充電鉛酸電池獲取12.6V（標(biāo)稱值）電壓是一個(gè)很好的折中方案，可以兼顧尺寸、容量 (安培小時(shí))、成本、壽命和安全等因素。 然而現(xiàn)在的汽車需要比幾年前的汽車更多的動(dòng)力。除了發(fā)動(dòng)機(jī)、車燈、收音機(jī)、電動(dòng)天窗、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、網(wǎng)絡(luò)和信息娛樂(lè)等基本功能，現(xiàn)在還會(huì)集成很多與安全和便捷性有關(guān)的其他功能，這些功能通常會(huì)歸入高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 范疇內(nèi)。ADAS系統(tǒng)對(duì)電池提出了更高的要求，需要更多的電力，因此采用12V電源為各種核心部件和外設(shè)供電需要更大的電流。然而在12V下保持IR下降和I2R功率損失在可接受的水平需要采用更粗的電線、更多的銅制材料和更大的連接器，這意味著成本、體積的增加，車輛系統(tǒng)內(nèi)也會(huì)顯得更加的擁擠。 48V供電是新形式的12V嗎？ 經(jīng)過(guò)大量的分析，業(yè)界決定采用48V作為新的電源系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的12V鉛酸電池不同，48V電池采用鋰電池，具有更高的重量和體積能量密度，比較有名的是“mild Hybrid” (微混或者輕混) (圖2)。
圖2：從某些方面來(lái)說(shuō)，12V/48V輕混系統(tǒng)是一個(gè)折中方案，但與其他折中方案不同，這種方案有很多的直接優(yōu)勢(shì)，能降低成本，提升效益和回報(bào)率 (資料來(lái)源：Delphi Technologies) 在此方案中，48V電池 - 按照汽車標(biāo)準(zhǔn)LV148的規(guī)定 - 作為補(bǔ)充與12V鉛酸電池結(jié)合使用 (這樣能夠提供3kW的額定功率)，如圖3所示。 12V電池和48V電池將連同他們的配電線束一起使用，在需要功率輸出的時(shí)候兩塊電池都提供能量輸出，比如12V總線可以為點(diǎn)火、照明和信息娛樂(lè)系統(tǒng)供電，而48V總線將負(fù)責(zé)底盤控制系統(tǒng)、空調(diào)、主動(dòng)/調(diào)整懸架、存儲(chǔ)再生制動(dòng)能量、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)增壓器和渦輪等。
圖3：雙電壓輕混方式將為各項(xiàng)功能有效分配電壓和可用功率，從效率和運(yùn)行的角度來(lái)看這是最有意義的 (資料來(lái)源：Delphi Technologies) 請(qǐng)考慮一個(gè)基本組件：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器。48V電池如何改變發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的基本架構(gòu)，從而更好地增強(qiáng)啟停效果。這種方式有利于減少在紅綠燈和停車等待時(shí)的燃油消耗，進(jìn)一步增強(qiáng)燃油效率。在大多數(shù)只有12V電池的汽車中，電池為啟動(dòng)器提供動(dòng)力，交流發(fā)電機(jī)作為充電器。但是48V和12V的組合使用可以提供高達(dá)10 kW的功率，啟動(dòng)電機(jī)和獨(dú)立的交流發(fā)電機(jī)被集成的啟動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG) 或帶式啟動(dòng)發(fā)電機(jī)所取代，48V鋰離子電池和雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)被封裝在堅(jiān)固的盒子內(nèi)，這其實(shí)是一種輕混動(dòng)力系統(tǒng)，與內(nèi)燃機(jī)協(xié)同工作。擁護(hù)者聲稱它可以提供全混三分之二的好處，但是只需要付出三分之一的成本，經(jīng)濟(jì)效益增加了15%到20%。 不過(guò)選擇48V也引出了兩個(gè)問(wèn)題：為什么不從12V直接改為24V呢？既然更高的電壓能帶來(lái)更多的好處，那為什么把電壓限制在48V呢？對(duì)于這些問(wèn)題有很多不同的回答。 大約在10年前，關(guān)于24V的討論非常的激烈，一些主要廠商甚至開始生產(chǎn)24V連接器、開關(guān)、繼電器和其他基礎(chǔ)部件。但是采用24V的好處并不足以支持它所帶來(lái)的設(shè)計(jì)上的改動(dòng)。此外關(guān)于汽車是否應(yīng)該完全淘汰12V電池而僅采用24V電池，還是讓它們共存，這個(gè)爭(zhēng)論也一直未解決。 至于48V以上，則會(huì)給用戶帶來(lái)安全問(wèn)題。在大多數(shù)地區(qū)，超過(guò)60V的直流電壓被認(rèn)為是潛在的不安全因素，因此需要特殊的接線注意事項(xiàng)、安全鎖、使用導(dǎo)管和物理屏蔽等。盡管48V系統(tǒng)實(shí)際上可能達(dá)到略低于60V的峰值，但它被認(rèn)為是安全的，從而避免了這方面的問(wèn)題（注意對(duì)于純電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車，與主電池相關(guān)的電壓會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)60V，因此設(shè)計(jì)中考慮了所有安全規(guī)則和預(yù)防措施）。48V是傳統(tǒng)和輕混系統(tǒng)所能達(dá)到的最高水平，因此可以避免額外的安全相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題。 需要哪些必要條件 采用48V系統(tǒng)不僅僅是需要一個(gè)新的電池結(jié)構(gòu)。除了直徑更小的線束和更小的連接器之外，還需要規(guī)定允許的線束彎曲半徑 (線束越細(xì)，允許的彎曲度越大，布線也更方便)。另外還要考慮線束絕緣以及其他“機(jī)械”變化。這些都是顯而易見且容易掌控的變化，但是由于12V和48V總線并不是相互隔離的，因此需要新的功能模塊來(lái)共同管理它們 (圖4)。
圖4：兩條總線之間的關(guān)系很復(fù)雜，需要仔細(xì)分析它們的共存所帶來(lái)的影響 (資料來(lái)源：Texas Instruments) 其他不太明顯的變化也是有的。為12V總線上可能出現(xiàn)的高達(dá)30V和40V電壓峰值而定制的電路保護(hù)組件需要更高的額定電壓才能與48V總線協(xié)同工作，因?yàn)轭~定電壓較低的組件在48V總線上會(huì)發(fā)生斷路。即使是基本的熔斷器（本質(zhì)上是對(duì)電流敏感的器件）也對(duì)自身承受的電壓有最大的額定值，因此需要在物理和電氣方面進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)較低的電流（比較容易）和較高的電壓（稍微困難）。同樣，保護(hù)電池避免反向連接的標(biāo)準(zhǔn)組件也是每個(gè)電路模塊必不可少的，在主線束意外連錯(cuò)時(shí)需要合理地處理可能產(chǎn)生的更高的反向電壓。 不過(guò)真正的挑戰(zhàn)是從電池管理開始。在大多數(shù)系統(tǒng)中需要監(jiān)測(cè)和管理多個(gè)具有相同額定電壓的電池，但是對(duì)于12V/48V這樣的設(shè)計(jì)，有兩個(gè)差別很大的電壓。從總體電源管理的角度來(lái)看，48V和12V電池最好能在適當(dāng)?shù)那闆r下共享和交換電能。 集成電路 (IC)，比如Analog Devices的LTC3871芯片就是為這種情況而設(shè)計(jì)的 (圖5)。這種雙向的降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器 (控制器) 允許兩個(gè)電池通過(guò)將其中一塊電池的能量轉(zhuǎn)換給另一塊電池，同時(shí)向負(fù)載供電。它會(huì)根據(jù)處理器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)切換從VHIGH 到VLOW的降壓模式以及從VLOW到VHIGH的升壓模式。與此同時(shí)，其精確的電流調(diào)節(jié)回路可以在兩個(gè)方向上傳輸最大電流。
圖5：Analog Devices公司的 LTC3871芯片是一款雙向降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器 (控制器)，允許兩個(gè)電池必要時(shí)向負(fù)載提供能量 (資料來(lái)源：Analog Devices) 48V電池本身很特別。原則上它的結(jié)構(gòu)可以由四個(gè)12V鉛酸電池串聯(lián)而成，但這樣會(huì)占用太多的空間，需要較粗的連接線纜。不過(guò)48V電池是一種鋰離子電池，專門設(shè)計(jì)用來(lái)提供這種電壓，其體積與12V電池大致相同。 Bosch為汽車的48V系統(tǒng)提供了一款電池設(shè)計(jì) (圖6)。電池尺寸僅309mm × 175mm × 90mm，因此可以放在汽車座椅或后備箱中。它是一個(gè)無(wú)源冷卻組件，不需要風(fēng)扇 (否則會(huì)導(dǎo)致成本升高且可靠性降低)，也不會(huì)產(chǎn)生噪音。這個(gè)7kg重的裝置可以提供高達(dá)13kW的功率，此外它還支持能量回收充電。
圖6：Bosch生產(chǎn)的這款鋰離子電池是一種48V電池，它可以放在汽車座椅下面，并且采用無(wú)源降溫方式 (資料來(lái)源：Robert Bosch GmbH) 總結(jié) 12V電池為汽車工業(yè)提供了良好的服務(wù)，其長(zhǎng)期以來(lái)的應(yīng)用表現(xiàn)清楚地證明了這一點(diǎn)。然而由于其IR損耗、功率損耗等問(wèn)題，這種單一的低壓總線方案已經(jīng)不能滿足當(dāng)今汽車快速增長(zhǎng)的電能需求了。 現(xiàn)在的解決方案采用48V電池作為補(bǔ)充，這并不是“即將到來(lái)”的一種預(yù)測(cè)，因?yàn)樗呀?jīng)在很多汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，包括燃油汽車、輕混、全混電動(dòng)汽車以及純電動(dòng)汽車。48V解決方案的應(yīng)用正在迅速擴(kuò)大，因?yàn)樗墙鉀Q現(xiàn)在電力問(wèn)題的唯一可行方案。 采用這種新的架構(gòu)需要新的線纜、連接器、有源（電源管理IC）和無(wú)源（保護(hù)設(shè)備）組件，以及48V鋰離子電池。也許在未來(lái)的一二十年后，12V電池只能作為歷史印記在一些古董車展上看到，但是在可預(yù)見的未來(lái)，12V和48V電池以及它們的總線將會(huì)共存并且相互作用，從而提供更加高效的電力解決方案。 文章來(lái)源：貿(mào)澤電子 作者簡(jiǎn)介：Bill Schweber是貿(mào)澤電子撰稿人，也是一名電子工程師。他撰寫了三本關(guān)于電子通信系統(tǒng)的教科書，以及數(shù)百篇技術(shù)文章、意見專欄和產(chǎn)品功能介紹。在過(guò)去的職業(yè)生涯中，他曾擔(dān)任多個(gè)EE Times子網(wǎng)站的網(wǎng)站管理員以及EDN執(zhí)行編輯和模擬技術(shù)編輯。他在ADI公司（模擬與混合信號(hào)IC的領(lǐng)先供應(yīng)商）負(fù)責(zé)營(yíng)銷傳播工作，因此他在技術(shù)公關(guān)職能的兩個(gè)方面都很有經(jīng)驗(yàn)，既能向媒體展示公司產(chǎn)品、故事和信息，也能作為這些信息的接收者。 在擔(dān)任ADI的MarCom職位之前，Bill曾是一名備受尊敬的技術(shù)期刊副主編，并曾在其產(chǎn)品營(yíng)銷和應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)工作。在擔(dān)任這些職務(wù)之前，他曾在英斯特朗公司（Instron Corp., ）實(shí)操模擬和電源電路設(shè)計(jì)以及用于材料測(cè)試機(jī)器控制的系統(tǒng)集成。 他擁有哥倫比亞大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和馬薩諸塞大學(xué)電子工程碩士學(xué)位，是注冊(cè)專業(yè)工程師，并持有高級(jí)業(yè)余無(wú)線電執(zhí)照。他還規(guī)劃、編寫并演示了各種工程主題的在線課程，包括MOSFET基礎(chǔ)知識(shí)，ADC選擇和驅(qū)動(dòng)LED。 |
