48V 電氣系統(tǒng)進(jìn)入高速檔

將近五年前，美國政府發(fā)布了規(guī)定，要求汽車制造商的新車和卡車車隊(duì)平均油耗達(dá)到 54.5 英里/加侖（每升 23.17 公里）——幾乎是平均燃油經(jīng)濟(jì)性的兩倍。在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展進(jìn)入快車道的同時(shí)，基于48V動(dòng)力的所謂“微混”和“輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)”的發(fā)展也進(jìn)入了高速檔。結(jié)果，長期使用的 12V 汽車電氣系統(tǒng)走到了盡頭。

48V 技術(shù)為汽車制造商和駕駛員提供了多項(xiàng)優(yōu)勢。它不僅可以減少對(duì)環(huán)境的影響，還可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，最重要的是，可以降低油耗。

然而，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，車輛中的電力負(fù)載量呈指數(shù)級(jí)增長。包括遠(yuǎn)程信息處理、輔助電加熱系統(tǒng)、復(fù)雜的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)管理、防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS)、電子穩(wěn)定程序 (ESP) 和其他數(shù)十種技術(shù)消耗大量能量，使設(shè)計(jì)進(jìn)一步復(fù)雜化。雖然今天的交流發(fā)電機(jī)提供的功率水平可以滿足這一需求，但強(qiáng)大的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是 48V 系統(tǒng)的核心組件。

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 1980 年代，標(biāo)準(zhǔn)交流發(fā)電機(jī)的輸出功率通常低于 0.5kW，盡管一些高效交流發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生高達(dá) 0.7kW 的功率。當(dāng)今的車輛需要 3.5kW 的交流發(fā)電機(jī)輸出——輸出功率的七倍。

一個(gè) 14V 交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生 250A 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)，需要大橫截面的導(dǎo)體來提供更高的電流，這會(huì)增加車輛的成本和重量。這種重量降低了燃料效率，隨后增加了 CO 2排放量。

48V 系統(tǒng)

進(jìn)入 48V 技術(shù)。48V 技術(shù)允許實(shí)現(xiàn)許多在 12V 系統(tǒng)中不實(shí)用的功能，包括支持微混合動(dòng)力和輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)。這些功能減少了 CO 2排放和整體燃料消耗，包括：

>5kW 的高性能能量回收

擴(kuò)展的啟停功能，例如航行或滑行

渦輪增壓器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等單元電氣化

48V 系統(tǒng)更多的是對(duì)現(xiàn)有 12V 架構(gòu)的擴(kuò)展，而不是替代，這使系統(tǒng)能夠通過使用雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來處理更強(qiáng)大的負(fù)載，該轉(zhuǎn)換器控制 12V 電平和 48V 電平（圖1). 將其視為 2.5 版。

圖 1：組合 12V /48V 車載電源的架構(gòu)。（來源：TDK）

本次2.5版本，12V級(jí)采用標(biāo)準(zhǔn)鉛酸電池，48V級(jí)采用鋰離子電池，設(shè)置發(fā)電機(jī)，有助于實(shí)現(xiàn)更高、更高效的輸出級(jí)。新的最佳實(shí)踐指定并聯(lián)連接雙層電容器以改進(jìn)電存儲(chǔ)。

升降壓轉(zhuǎn)換器

如前所述，12V/48V 組合系統(tǒng)的核心組件是降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，它控制兩個(gè)電壓電平之間的雙向能量流（圖 2）。大多數(shù)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器專為 2kW 至 5kW 的輸出而設(shè)計(jì)。

圖 2：12V/48V 組合系統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器電路圖。（來源：TDK）

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器在正常模式下作為降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，以便將 48V 電平上產(chǎn)生的功率正確輸出到 12V 系統(tǒng)。如果需要48V電平輸出，則采用升壓模式。6 相或 8 相串聯(lián)連接系統(tǒng)通常用于將電壓和紋波電流保持在最低水平。

為了使升降壓轉(zhuǎn)換器在惡劣的汽車環(huán)境中正常工作，設(shè)計(jì)人員必須使用高質(zhì)量、可靠的開關(guān)晶體管、功率電感器和存儲(chǔ)電容器。例如，如果設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換器中的存儲(chǔ)和平滑扼流圈使用功率電感器，則應(yīng)指定陶瓷 SMD 組件。除了用于繞組的兩個(gè)焊盤之外，功率扼流圈還應(yīng)具有第三個(gè)焊盤，以提高 PCB 上元件的機(jī)械穩(wěn)定性。如果無法使用 SMD 電感器，也可以使用帶 PTH 端接的電感器。所有組件都應(yīng)設(shè)計(jì)為在 -40°C 至 150°C 的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

耐振動(dòng)電容器

除電感器外，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的其他關(guān)鍵組件應(yīng)該是堅(jiān)固的鋁電解電容器，用于轉(zhuǎn)換器中的存儲(chǔ)和平滑扼流圈。此類電容器還應(yīng)在高達(dá) 150°C 的溫度下工作。

這些電容器應(yīng)專門為滿足汽車電子產(chǎn)品的嚴(yán)格要求而設(shè)計(jì)，例如TDK的B41689和B41789系列。這些鋁電解電容器的特點(diǎn)是高達(dá) 60g 的極高振動(dòng)強(qiáng)度和焊星設(shè)計(jì)。一些電容器的兩端都帶有陰極板觸點(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，從而產(chǎn)生更高的紋波電流能力和更低的損耗。電容器的額定電壓應(yīng)為 25V、40V（對(duì)于 12V）和 63V（對(duì)于 48V）。有了這些電壓，它們就可以在兩個(gè)電壓等級(jí)的新車載電源系統(tǒng)中使用。電容范圍從 360μF 擴(kuò)展到 4500μF。

電動(dòng)渦輪增壓器

48V 技術(shù)提供了額外的好處，使電動(dòng)渦輪增壓器或電動(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)的渦輪增壓器都是由廢氣驅(qū)動(dòng)的，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)是從它們啟動(dòng)到啟動(dòng)的時(shí)間稍有延遲。這種延遲被稱為渦輪遲滯。

48V 系統(tǒng)通過使用電動(dòng)充電器消除了這一缺陷。這使得渦輪增壓器能夠即時(shí)響應(yīng)并以較低的速度工作，從而提高整體效率，無論是在城市交通條件下還是在高速公路上。

圖 3：電動(dòng)渦輪增壓器可提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。（來源：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)合可進(jìn)一步提高增壓壓力，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)閉電動(dòng)增壓器，從而節(jié)省功率并提高整體效率。

48V 技術(shù)不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能和效率，而且對(duì)希望降低油耗的駕駛員也很有吸引力。它創(chuàng)造了一輛真正裝備精良的汽車，可以在 48V 下從 0 到 60（0 英里/小時(shí)到 60 英里/小時(shí)或 0 公里/小時(shí)到 96.56 公里/小時(shí)）。憑借這項(xiàng)技術(shù)提供的所有優(yōu)勢，48V 電氣系統(tǒng)已進(jìn)入高速檔也就不足為奇了。

TDK Corporation 是一家領(lǐng)先的電子公司，總部位于日本東京。它成立于 1935 年，旨在將鐵氧體商業(yè)化，鐵氧體是電子和磁性產(chǎn)品的關(guān)鍵材料。TDK 的產(chǎn)品組合包括無源元件，如陶瓷、鋁電解和薄膜電容器、鐵氧體和電感器、高頻產(chǎn)品、壓電和保護(hù)元件，以及傳感器和傳感器系統(tǒng)以及電源。這些產(chǎn)品以 TDK、EPCOS、InvenSense、Micronas、Tronics 和 TDK-Lambda 等產(chǎn)品品牌銷售。TDK 的其他主要產(chǎn)品組包括磁性應(yīng)用產(chǎn)品、能源設(shè)備和閃存應(yīng)用設(shè)備。TDK 專注于信息和通信技術(shù)以及汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域的高要求市場。