【導(dǎo)讀】差不多五年前，美國(guó)政府就規(guī)定汽車制造商生產(chǎn)的新車和卡車平均油耗要達(dá)到54.5mpg（23.17公里/升），幾乎是平均燃油經(jīng)濟(jì)性的兩倍。隨著電動(dòng)車與混合動(dòng)力技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展通道，基于48V電源的所謂＂微混動(dòng)力＂和＂輕混動(dòng)力＂系統(tǒng)的發(fā)展也駛?cè)肓丝燔嚨溃瓉?lái)曾長(zhǎng)期使用的12V汽車電氣系統(tǒng)即將結(jié)束自己的歷史使命。
48V技術(shù)為汽車制造商和駕駛員提供了諸多優(yōu)勢(shì)。它不僅可以減少環(huán)境污染，還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，最重要的是，能夠提高燃油效率。
隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，汽車中的電力負(fù)荷正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。遠(yuǎn)程1955年，汽車制造商推出了12V充電系統(tǒng)，取代了基于6V技術(shù)的舊系統(tǒng)。從1955年到二十世紀(jì)80年代，雖然一些高效交流發(fā)電機(jī)的輸出功率最高可以達(dá)到0.7kW，但標(biāo)準(zhǔn)交流發(fā)電機(jī)的輸出功率通常低于0.5kW。今天的汽車需要3.5kW的交流發(fā)電機(jī)輸出，是原來(lái)最高輸出功率的7倍多。
14V交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生250A的電流，導(dǎo)致最大效率僅為70%。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)必須額外提供5kW的功率。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，需要較大的導(dǎo)體橫截面來(lái)提供更大的電流，從而增加了車輛的成本和重量。而重量的增加降低了燃油效率，也提高了二氧化碳排放量。
48V系統(tǒng)
進(jìn)入48V時(shí)代后，48V技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一些在12V系統(tǒng)中不現(xiàn)實(shí)的功能，包括支持微混和輕混動(dòng)力系統(tǒng)。這些可同時(shí)降低二氧化碳排放量和總體油耗的功能包括：
● 功率超過(guò)5kW時(shí)的高性能能量回收
● 擴(kuò)展的啟停功能，如航行或滑行
● 渦輪增壓器和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等裝置的電氣化
48V系統(tǒng)不只是現(xiàn)有12V架構(gòu)的簡(jiǎn)單擴(kuò)展，它使用同時(shí)控制12V和48V電壓級(jí)別的雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，讓系統(tǒng)能夠處理更高的負(fù)載（圖1）。可以把下圖視為油電混動(dòng)汽車的2.5版。
圖1：12V/48V組合式板載電源的架構(gòu)（資料來(lái)源：TDK）
在這個(gè)2.5版本中，12V電源使用標(biāo)準(zhǔn)鉛基電池，48V電源使用鋰離子電池。發(fā)電機(jī)設(shè)置在48V級(jí)別，有助于實(shí)現(xiàn)更高和更高效的輸出級(jí)別。新的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)規(guī)定將雙層電容器并聯(lián)以提高儲(chǔ)電能力。
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
如上所述，12V/48V組合系統(tǒng)的核心部件是降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，它控制兩個(gè)電壓級(jí)別之間的雙向能量流（圖2）。大多數(shù)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于2kW到5kW之間的輸出功率。
圖2：12V/48V組合系統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器電路圖（資料來(lái)源：TDK）
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器在普通模式下作為降壓轉(zhuǎn)換器工作，因此在48V系統(tǒng)上產(chǎn)生的功率被正確輸出到12V系統(tǒng)。如果需要的得到48V級(jí)別的輸出，將使用升壓模式。通常使用6相或8相的串聯(lián)系統(tǒng)將電壓和紋波電流保持在最小值。
為了使降壓-升壓轉(zhuǎn)換器在惡劣的汽車環(huán)境中正常工作，設(shè)計(jì)師必須使用高質(zhì)量、可靠的開關(guān)晶體管、功率電感和存儲(chǔ)電容。例如，對(duì)于轉(zhuǎn)換器中的存儲(chǔ)和平滑扼流圈，如果設(shè)計(jì)中需要功率電感，則應(yīng)使用SMD陶瓷功率電感。除了用于繞組的兩個(gè)焊盤外，電源扼流圈還應(yīng)具有第三個(gè)焊盤，以增加PCB上組件的機(jī)械穩(wěn)定性。如果不可能使用SMD電感，也可以使用帶PTH終端的電感。所有組件的工作溫度應(yīng)設(shè)計(jì)在-40°C至150°C之間。
抗振電容器
對(duì)于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的存儲(chǔ)和平滑扼流圈，除電感外，還有其他關(guān)鍵元件，即穩(wěn)健的鋁電解電容器，這些電容器也應(yīng)在最高150°C的溫度下工作。
這些電容器應(yīng)符合汽車電子產(chǎn)品的嚴(yán)格要求，如TDK的B41689和B41789系列。這些鋁電解電容器的特點(diǎn)是其高達(dá)60g的振動(dòng)強(qiáng)度和焊接星設(shè)計(jì)。有些電容器兩端都有陰極板觸點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)低ESL值的優(yōu)化安裝。
指定的電容器還應(yīng)具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）值，從而提高紋波電流能力并降低損耗。電容器的電容范圍從360µF到4500µF，額定電壓應(yīng)為25V、40V（對(duì)于12V系統(tǒng)）和63V（對(duì)于48V系統(tǒng)）。有了這些電壓，它們就能夠用于同時(shí)支持兩種電壓水平的新板載電源系統(tǒng)。
電動(dòng)渦輪增壓器
48V技術(shù)提供更多的優(yōu)點(diǎn)，讓電動(dòng)渦輪增壓器能夠更高效地驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（圖3）。直到最近，傳統(tǒng)渦輪增壓器都是由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)，這意味著隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，它們的性能會(huì)更好。傳統(tǒng)渦輪增壓器的一個(gè)缺點(diǎn)是從踩下油門到車子啟動(dòng)的時(shí)間稍有延遲。這種延遲被稱為渦輪延遲。
48V系統(tǒng)通過(guò)使用電動(dòng)充電器消除了這一缺陷，使得渦輪增壓器能夠立即做出響應(yīng)，在較低的速度下也能工作，無(wú)論在城市道路還是高速公路上，都能提高整體效率。
圖3：電動(dòng)渦輪增壓器提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率（資料來(lái)源：TDK）
事實(shí)上，將傳統(tǒng)渦輪增壓器與電動(dòng)渦輪增壓器相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高充電壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)關(guān)閉電動(dòng)充電器，從而節(jié)省動(dòng)力并提高整體效率。
48V技術(shù)不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率，而且對(duì)那些想要降低油耗的駕駛員也很有吸引力。它可以幫助打造真正裝備精良的汽車，在48V下以0mph到60mph或0kmph到96.56kmph的速度行駛。了解了這項(xiàng)技術(shù)提供的所有好處，就不難理解48V電氣系統(tǒng)為何發(fā)展得如此之快。
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