迎來“CASE”時代的汽車趨勢和技術(shù)課題(1) ～48V系統(tǒng)輕度混合動力車～

“CASE”(Connected、Autonomous、Shared & Services、Electric)已經(jīng)成為一種新型汽車或移動設(shè)備的流行語。在這種情況下，人們提出了前所未有的技術(shù)和概念，也遇到了技術(shù)方面的各種課題。在本專欄中，我們將從圍繞此類汽車的技術(shù)趨勢中介紹與電子產(chǎn)品相關(guān)的主題。
本次是第一次，我們將介紹以歐洲為中心逐漸推廣的輕度混合動力車，以及伴隨輕度混合動力車的出現(xiàn)增設(shè)到傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)上的48V系統(tǒng)。

由于更嚴格的廢氣排放限制而備受矚目的輕度混合動力車

為了阻止被認為是大規(guī)模氣候變動原因之一的全球變暖，人們采取了各種各樣的舉措來減少汽車排放的CO2(二氧化碳)。歐盟對廢氣排放限制特別嚴格，針對未來進一步嚴格的限制，如何應(yīng)對這種限制將給汽車廠商帶來沉重的開發(fā)負擔。
其中，“輕度混合動力”作為可以在活用傳統(tǒng)的汽油動力車或柴油動力車的基本設(shè)計的同時減少二氧化碳排放的驅(qū)動方式而備受人們的關(guān)注。
輕度混合動力車的原理是，配備一個小容量的二次電池和一個輔助性的馬達，通過在啟動和加速時借助馬達的輔助來抑制引擎的油耗，據(jù)說通過與怠速停止功能進行組合，它的燃油效率可以提高20%左右。
混合動力車(HEV)和插電式混合動力車被稱為“強混合動力車”，在燃油效率方面優(yōu)于輕度混合動力車，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的開發(fā)工時。
由于輕度混合動力車可以基于現(xiàn)有的底盤和動力系統(tǒng)進行開發(fā)，以德國為中心的眾多汽車廠家正在使用輕度混合動力車而不是強混合動力車來應(yīng)對廢氣排放限制。日本的部分汽車廠家也在積極研發(fā)輕度混合動力車。

通過48V系統(tǒng)提高輕度混合動力的效率

輕度混合動力車的大致構(gòu)成如圖1所示。
其中，與普通汽車相比，構(gòu)成上的主要差異如下：

新增48V的電器系統(tǒng)；

通過由一個加速時輔助引擎的馬達(減速時為交流發(fā)電機)、和一個為馬達提供電流的二次電池以及其他輔助設(shè)備類來構(gòu)成48V系統(tǒng)；

48V系統(tǒng)和12V系統(tǒng)通過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器連接。

圖1.48V系統(tǒng)輕度混合動力車的大致構(gòu)成

其中一點是新增的48V系統(tǒng)。
汽車除了一些大型車輛外，傳統(tǒng)上使用12V輸出鉛酸蓄電池。
而在輕度混合動力車中，在加速時驅(qū)動馬達的電力和在減速時將馬達作為發(fā)電機使用回收的電力都很大，若在12V系統(tǒng)上構(gòu)成，電流值將達到數(shù)百A（安培）。
此外，由于鉛酸蓄電池不能快速充放電，還有傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)本來就不適合輕度混合動力車這個問題。此外，動力轉(zhuǎn)向等部分輔助設(shè)備的大容量化，在12V系統(tǒng)上受到限制，因此要求供給更高的電壓。
在這種情況下，有別于12V系統(tǒng)，為了重新設(shè)計適合于輕度混合動力車的電壓系統(tǒng)而提出了48V系統(tǒng)的方案。
如果將電壓增大4倍，則供給相同電力時的電流只要1/4即可，線束上的損耗減小，無需使用粗重的線束。此外，48V作為電壓并不算高，所以易于構(gòu)成一個包括安全對策在內(nèi)的電路。

輕度混合動力車和48V化并非等同，但由于這個背景，通常成對使用12V和48V。當然，還包括由48V以外的電壓構(gòu)成的輕度混合動力車。

汽車加速時和減速時輕度混合動力車的動作

汽車加速時和減速時輕度混合動力車的大致動作如下所示。

加速時
通過使用二次電池的電力驅(qū)動馬達并輔助加速來減少引擎的燃油消耗，提高燃油效率。(圖2)

減速時
將馬達用作交流發(fā)電機，在二次電池中存儲能量。同時，還進行12V系統(tǒng)鉛酸蓄電池的充電。這就是所謂的再生制動方式。(圖3)

構(gòu)成輕度混合動力車的馬達不只是輔助加速，而且在減速時也起到發(fā)電機(交流發(fā)電機)的作用。該裝置也被稱為ISG(Integrated Starter Generator，集成起動發(fā)電機)，因為它經(jīng)常兼作起動馬達的功能。
二次電池的作用是在短時間內(nèi)將馬達減速時產(chǎn)生的電力儲存起來，并在馬達加速時瞬間提供馬達所需的電力。汽車上安裝的12V輸出的鉛酸蓄電池不能快速充放電，所以輕度混合動力車上主要使用特性優(yōu)異的鋰離子電池。當然，它不需要像強混合動力車那樣大的容量。

將12V系統(tǒng)和48V系統(tǒng)連接起來的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器

從電子產(chǎn)品的角度來看，輕度混合動力車的一個獨特組件是雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器。它的作用是將現(xiàn)有的12V系統(tǒng)與由馬達、二次電池、其他輔助設(shè)備構(gòu)成的48V系統(tǒng)連接起來。
＜12V→48V升壓動作＞ 在用12V鉛酸蓄電池驅(qū)動48V系統(tǒng)的輔助設(shè)備時，或二次電池充電水平不足以輔助動作，在從12V系統(tǒng)的鉛酸蓄電池給二次電池充電時，進行升壓動作。
＜48V→12V降壓動作＞ 在用48V系統(tǒng)的馬達(交流發(fā)電機)產(chǎn)生的再生電力給12V鉛酸蓄電池充電時進行降壓動作。

圖4列出了最簡單的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成示例，該轉(zhuǎn)換器組合了降壓斬波電路和升壓斬波電路。

圖4.12V/48V雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成示例

車載ECU中安裝的開關(guān)電源(DC/DC轉(zhuǎn)換器)，如 “電源電路的基礎(chǔ)知識(3)～開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計步驟～” 和 “電源電路的基礎(chǔ)知識(4)～面向ECU的電源電路設(shè)計要點～”中所述，基本上可由市售的開關(guān)電源IC構(gòu)成。找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城
另一方面，因必須在監(jiān)控12V系統(tǒng)和48V系統(tǒng)狀態(tài)的同時精細控制從12V系統(tǒng)向48V系統(tǒng)的升壓動作和從48V系統(tǒng)向12V系統(tǒng)的降壓動作；功率容量大到數(shù)kW至10kW以上；除非由于大容量實現(xiàn)極高的效率否則會面臨發(fā)熱(損耗)課題等理由，輕度混合車的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器使用DSP (Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器)等數(shù)字電路進行開關(guān)動作控制，即安裝所謂的數(shù)字電源已成為主流。
在設(shè)計12V和48V的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器或連接于48V系統(tǒng)的輔助設(shè)備類時，需要注意電子零部件的額定電壓。LV 148標準規(guī)定48V系統(tǒng)的電壓范圍為36V～52V，過電壓上限為60V，因此最好選定在預(yù)期工作溫度范圍內(nèi)作為額定值保持60V以上的電子零部件。

下次，我們將介紹安裝在電動汽車等上的蓄電池和外圍電路。

圖2.輕度混合動力車加速時的動作示例

審核編輯 黃宇