在设计双电压汽车电源系统时需哪些考虑影响因素

在更高功率水平下提高效率的需求促使人们转向48伏电源轨以减少提供给定功率时所需的电流。然而，过渡到48伏系统并不像安装更大的电池和发电机那么简单。

本文将讨论为什么汽车需要48伏铁路以及在引入新DC之前对整个系统的影响/DC转换器可以大大简化具有双电压（12/48 V）功能的电源系统的设计。然后，它将专注于其他关键的48伏组件和系统架构，包括用于新型48伏锂离子电池的电池管理系统（BMS）。

为什么汽车需要升至48伏

汽车电力需求的增加使12伏电源变得紧张。使用12伏电源轨，每千瓦需求将需要大约80 A的电流。同样在低温下，静载部件可以解释交流发电机产生的全部功率，最高可达3 kW。高电流也会转化为更高的损耗，这与提高效率的需求相反，以满足严格的2020年燃料消耗行业目标，其范围从5.0到6.0 L/100 km，具体取决于位置。

为了提高更高功率水平的效率，汽车设计人员正在转向48伏电源轨，减少了提供给定功率时所需的电流。这种更高电压的网络可以在相同甚至更窄的电缆直径下支持更高的负载（高达10 kW），从而减小电缆尺寸和重量。这一点非常重要，因为今天的高端车辆可以有超过4公里的布线。

在迁移到48伏时，设计人员应考虑的一种配置是采用基于传统铅酸的12伏电动分支电池，然后添加48伏锂离子电池为单独的48伏分支供电（图1）。许多汽车公司已经支持这种方法。

图1：48 V系统采用新型锂离子蓄电池。凌力尔特公司的LTC3871 DC/DC转换器集成了12伏和48伏电气系统。 （来源：凌力尔特公司）

例如，12伏系统可处理传统负载，如照明，点火，信息娱乐和音频，电动车窗和门锁。 48伏系统支持更重的负载，如主动底盘系统（可调悬架），空调压缩机，电动增压器/涡轮增压器和再生制动。启动内燃机（ICE）的动力将由48伏电气系统中的锂离子电池供电，这将使停止/启动操作更加顺畅。

48伏技术的目标是传统的ICE汽车以及混合动力电动和轻度混合动力汽车。轻度混合动力车使用配备电动机/发电机的并联配置的ICE，允许发动机在滑行，制动或停止时快速关闭并重新启动。

电动增压将用于将使用集成的起动发电机（ISG）与ISG的交流发电机（图1）或皮带驱动的起动发电机（BSG）相结合。它采用电动机通过卷带为ICE的曲轴提供动力。这对应该使汽车制造商能够将功率提高20％，同时减少15％的二氧化碳排放量，从而有助于达到更严格的排放标准。例如，欧盟2020年的汽车和货车标准规定，从2021年开始，制造商的车队的二氧化碳排放目标为95克/公里，超过这些限制将面临经济处罚的威胁。

然而，在短期内，新的48伏系统将以12伏并排运行。 48伏总线仅提供需要高功率输入和输出的功能。需要一个DC-DC转换器（图1）来处理功率为300 W至5 kW的双向能量流，并允许电池电源在两个电压域之间分配。

DC/DC转换器要求

双电压系统中DC/DC转换器的主要功能是在两个子系统之间传输能量。由于它主要将能量从48伏系统传输到12伏电平，因此主要用作降压转换器。转换器工作的转换器的情况通常只涉及部分负载要求，以确保正常的48伏操作。

在极低温度下，锂离子电池可能无法提供足够的能量来启动发动机，并且因此，12伏铅酸电池可以起作用，使用双向DC/DC转换器从48伏和12伏电池组合为BSG供电。当ICE运行时，典型的起动发电机可以向48伏系统输入高达15千瓦的功率。反过来，DC/DC转换器将部分能量转移到12伏系统，为其组件供电并为铅酸电池充电。

DC/设计可以有多种选择适用于48伏应用的直流转换器，具体取决于要求。除转换器性能外，其他重要要求包括功率损耗（效率），封装空间/容量，单向或双向功率传输;和功能安全。奥迪，宝马，戴姆勒，保时捷和大众汽车提出的LV148标准定义了48伏电源系统的要求，包括其功能和接口。

LV148标准已经应用于2017款车型。任何考虑48伏设计的设计师都应该参考这个规范。它描述了新48伏组件的所有相关电气要求和测试程序。请注意，它还规定直流电压<60伏时不需要电击保护，因此不需要高压互锁系统（HVIL）。为了满足LV148的要求，设计人员可以从凌力尔特公司的LTC3871开始，这是一款100 V/30 V双向，两相同步降压或升压控制器，适用于48 V/12 V汽车双电池系统。

LTC3871在降压模式下工作，从48伏总线到12伏总线，或在升压模式下工作在12伏到48伏（图2），使用控制信号输入选择模式。多达12个相可以并联和异相时钟，以最大限度地减少高电流应用（高达250 A）的输入和输出滤波要求。使用12相设计，可在降压模式或升压模式下提供高达3 kW的功率。

启动汽车或需要额外电源时，LTC3871允许两个电池同时供电，并且仍然能够达到97％的效率。

为了调节可以向任一方向传递到负载的最大电流，使用了四个片上编程循环。有两个用于电流，两个用于电压，可以控制48伏或12伏网络上的电压和电流。

图2：多个LTC3871芯片 - 最多12个相位 - 可以并联和时钟异相，以最大限度地减少输入和输出滤波，适用于需要高达250 A的应用。（来源：Linear Technology）

LTC3871运行在可选固定频率在60和460 kHz之间，可以在同一范围内同步到外部时钟。设计人员可以在轻负载期间选择连续操作或脉冲跳跃。其他功能包括过载和短路保护，降压和升压的独立环路补偿，温度范围内±1％的电压调节精度，以及欠压和过压锁定。

请注意，与汽车设计中使用的几乎所有元件一样，LTC3871已符合AEC-Q100汽车规范的要求。

48伏电池管理

当使用48伏汽车系统所需的新型锂离子电池时，设计人员需要选择比铅酸所需的更复杂的电池管理和诊断系统电池。鉴于安全要求和正确充电锂离子电池所涉及的许多细节，最好是四处寻找现成的解决方案而不是从头开始拼接。

一些核心要求是解决方案需要解决的问题包括：

测量电池组电压，单个电池电压和电流

电池平衡

12伏与48之间的分离电压域

48伏域的故障安全断开

ams为48伏汽车电源总线提供了一种解决方案（图3）。

图3：ams不是从零开始设计电池测量系统（BMS），而是提供现成的48伏BMS基于其AS8510包监视器和AS8506单元监视器。该组合可提供精确的电池平衡和低元件数，同时节省开发时间。 （来源：ams）

在BMS中，测量的电池组电压，单个电池电压和电流数据用于将电池维持在其安全工作参数范围内。这一点越来越重要，因为配备自动启动/停止功能的现代汽车要求电池的充电状态（SOC）保持在不低于50％。

监控锂离子电池的最佳方法电池的SOC用于测量开路电压以建立测量起点，然后执行“库仑计数” - 测量离开电池时的总电流。这要求电压通道具有非常高的精度，以及无偏移的电流测量路径。

为了测量电池组电压并确定其充电状态，ams BMS使用AS8510数据采集IC，如图所示如图3左侧所示。该电池传感器接口集成了信号调理功能和两个16位模数转换器（ADC）。它的精度达到0.2％。

同样的传感器接口也实现了库仑计数，但为此需要与100μΩ锰铜分流电阻配对。 AS8510的特性与此特定分流器相匹配，因此设计人员可在整个汽车温度范围内实现优于0.5％的系统级精度，并在整个测量范围内实现零偏移。

电池平衡

在每个电池中，从一个电池到另一个电池存在随机变化，这意味着一些电池在其他电池之前完全充电。电池管理的目标是确保所有电池保持相同的充电状态。

ams AS8506使用内部同步的无偏移比较器在本地决定需要平衡的单元（图4）。与传统的电池平衡设计不同，该系统不需要微控制器。

图4：ams AS8506在本地进行电池平衡决策，因此设计人员无需添加和编程微控制器来处理任务（来源：ams）

其他48伏系统设计考虑因素

48伏锂离子电池和12伏电压 - 酸性电池，输入和输出电压将更高，这意味着需要使用更高的击穿电压组件。此外，由于较高的电压，腐蚀将成为一个问题。这意味着开关将需要更昂贵的金属，并且弹簧加载的触点将必须更快地分离以降低可能导致大量热损坏的电弧放电的风险。由于电弧放电的风险较高，需要通过电子电池断开开关切换和保护48伏输出到环境中，以便在不同的车辆模式下进行输出控制。

英飞凌科技等MOSFET其OptiMOS系列的IPB180N10S402ATMA1CT-ND通常用于48伏系统作为功率输出级IC。在48伏特时，它们在开关和传导损耗方面优于IGBT。

48伏技术的无源元件必须符合与12伏汽车电气系统中使用的元件相同的高质量标准，例如工作温度范围为-40°C至150°C，以及抗冲击和振动。此外，它们还必须使损耗最小化，因此DC/DC转换器可以达到高达98％的效率水平。

结论

在车辆中引入额外的48伏电压将使动力传动系统组件（例如油泵和水泵以及涡轮增压器或超级充电器）能够从机械动力切换到电动动力。 48伏系统还有助于减少二氧化碳排放，并有助于汽车制造商满足更严格的燃油经济性标准。

然而，需要认真考虑12伏和48伏电力系统的共存，以及设计与使用锂离子电池有关的问题，如安全性，效率和测量精度。对于许多设计人员而言，最好和最便捷的选择是使用凌力尔特公司和具有内置性能和保护功能的公司的现成芯片和系统设计。