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48V轻混系统成过渡优选,双向DC/DC转换器选择应以性能为先

时间:2018-10-30 作者:ADI 阅读:
2025年48V轻混系统全球装车辆将达到1100万辆,在混动车中占据超过半壁江山;而在中国市场上,随着新能源补贴加速退坡,48V轻混系统将更早成为混动系统中的主流。

随着2020年临近,国家强制标准要求新车百公里油耗不得超过5.0L成了众多传统车厂不得不直面的一道坎。目前看来,单靠提高发动机的燃油效率达到排放目标基本是不可能的,而完全转向纯电动车,不仅受限于当前电池技术无法解决续航和成本问题,还意味着弃置原有燃油车产线、人才、技术等资源,造成极大浪费。这种情况之下,系统成本较低、节油效果相对明显、对现有整车结构改变不大的48V轻混系统成为产业新热点,奥迪、奔驰、大众到吉利、比亚迪、长城等多家车厂以及德尔福、大陆、博世等一级供应商都是其拥趸。

市场调研机构IHS预测,2025年48V轻混系统全球装车辆将达到1100万辆,在混动车中占据超过半壁江山;而在中国市场上,随着新能源补贴加速退坡,48V轻混系统将更早成为混动系统中的主流。

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图1:IHS:2016-2025年48V轻混系统市场规模

48V轻混系统,严格来说其实是对传统燃油车进行更深入的电气化改造,即在原有的动力基础上,增加一个48V锂离子电池、一个集成式起动发电机(ISG)或带式起动发电机(BSG),以及一个用于48V与12V电压之间转换的双向电压控制器(DC/DC)。为提高系统兼容性,降低推广难度,配备48V轻混系统的汽车将同时搭载48V高压电池系统和12V低压电池系统,能提供高达10kW的可用能量,其中12V总线继续负责处理如照明、点火、娱乐信息系统等传统负载,48V总线将支持主动式底盘系统、空调压缩机、可调悬挂以及电子增压机/涡轮增压机供电,还支持再生制动。

相对于12V系统,48V轻混系统除了快速启停功能,还具备制动能量回收、加速辅助、混合动力式起动、带档停机、滑行等功能;从通用性上来说,48V系统可以兼容更多不同的用电设备,比如越来越普遍的娱乐化大屏和复杂的中控系统;48V系统还可以负载传统内燃机汽车上依靠发动机负载的空调压缩机、冷却水泵等,不仅有效降低发动机负荷,也可以在发动机关闭的情况下使用这些大功率设备。另外,更高的电压意味着工作电流减小,所需电缆横截面积更小即减小电缆尺寸和重量,符合汽车轻量化趋势且成本更低。

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图2:某Tier 1大厂48V轻混系统示意图

双向DC/DC转换器是48V轻混系统的核心部件,是48V和12V电气网络的桥梁,并对48V和12V电池进行管理,是保证整车系统安全运行的重要一环,对其性能的要求不容轻忽。以高性能著称的模拟芯片厂商ADI,其双向两相同步降压或升压型控制器LTC3871非常适合此应用。

LTC3871通过允许把相同的外部功率组件用于降压和升压目的,将新的性能水平、控制和简化电路带给了48V/12V双电池DC/DC汽车系统;并可对多达12相实施并联以满足高电流大功率(3KW-10KW)应用的需要。ADI官网数据显示,当起动汽车或需要额外功率时,LTC3871允许两个电池同时为同一个负载供能,最高可实现97%的效率;以用户可选的60~475k Hz固定频率运行,也可同步至一个相同范围的外部时钟,在轻负载时,可以选择连续运行或脉冲跳跃模式。

LTC3871还提供过载和短路保护、用于降压和升压模式的独立环路补偿、用于提高效率的EXTVcc、随温度变化的+/-1%输出电压调节准确度,以及欠压和过压闭锁等,车规级版本工作温度范围可达-40°C~150°C。LTC3871已被验证符合AEC-Q100规范要求,为满足功能安全标准(ISO26262)系统中的诊断范围而设计。

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图3:ADI针对48V/12V双电池应用的双向多相同步降压/升压控制器方案。

针对自动驾驶汽车冗余电池系统应用,ADI最新推出效率高达 98% 的双向降压-升压型开关稳压控制器LT8708/-1,利用一个输入电压供电运行,该输入电压可以高于、低于或等于输出电压,十分适合两个各为 12V、24V 或 48V 的电池 以及48V/12V和48V/24V双电池系统。该器件在两个电池之间运行,可避免在其中一个电池出现故障的情况下发生系统停机。同样,高温汽车级版本工作温度范围可达-40°C~150°C。

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图4:效率最高达98%的LT8708/-1可在 48V/12V 和 48V/24V双电池系统中使用。

LT8708/-1采用单个电感器在 2.8V 至 80V 的输入电压范围内工作,并能产生 1.3V 至 80V 的输出电压,提供高达kW级的功率,简化了需要在正向或反向调节VOUT、VIN和/或IOUT、IIN的电池/电容器备份系统中的双向电源转换。

ADI官网资料指出,LT8708/-1有6种独立调节形式使其适用于众多应用。如,将 LT8708-1 和LT8708 并联使用,以增加功率和相数。LT8708作为主器件,LT8708-1始终作为从属器件运行;单个主器件上可以连接多个从属器件,按比例提高系统的功率和电流容量。另一种应用是用输入电压为负载供电,同时还为负责给电池或超级电容器组充电的 LT8708/-1 电路供电。当输入电压消失时,可利用 LT8708 的双向能力从电池或超级电容器继续给负载供电,而不会中断。可以监控和限制转换器输入侧和输出侧的正向和反向电流。可以使用四个电阻器独立地设置所有四个电流限制 (正向输入、反向输入、正向输出和反向输出)。与 DIR (方向) 引脚相结合,可对器件进行配置,以从 VIN 至 VOUT 或从 VOUT 至 VIN 处理电源,非常适合汽车、太阳能、电信和电池供电型系统。

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图5:LT8708/-1应用电路图

ADI认为,搭载高性能双向DC/DC转换器必将有助于48V轻混系统以更低成本实现大幅提高节能效率、减少二氧化碳排放的目标,满足各国日趋严苛的节能减排政策要求。相信在众多车厂巨头和一二线供应商的重金投入、大力推动下,越来越多48V轻混系统车型上市售卖后,必将点燃终端消费者的购买热情,并如业界普遍渴盼般成为市场宠儿。

 

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