汽车电气化时代到来已是一个不争的事实,不过怎么实现却是众说纷纭:纯电动(EV)、混合动力(HEV)、插电式混合动力(PHEV)、48V 轻混动力(MHEV)和重混动力(HEV),还有燃料电池,不一而足。

 

在全球环保压力下,轿车、卡车、公交车及摩托车主机厂都在对其车辆实施电气化,以提高内燃机的燃油效率,减少二氧化碳排放。

 

尽管电气化选择很多,但大多数主机厂都没有选择完全混合动力(Full-hybrid)总成,而是选择了 48V MHEV,除了使用传统 12V 电池之外,还新增了一个 48V 电池。

 

1. 传统 12V 配电已是小马拉大车

现在大多数汽车仍然在使用电流 300 安培的 12V 为车载电器供电,随着汽车上越来越多的新的耗电型电子驱动和功能的增加(电动启停、电动转向、电动悬架、电动涡轮增压、变速空调,以及音响系统、加热座椅和可随动转向照亮黑暗弯道的前照灯),传统 12V 配电总线只能勉强为牵引电机和制动系统提供所需能量。

 

更重要的是,随着自动驾驶车辆的出现,激光雷达摄像头超声波传感器等都需要高性能图形处理器来收集、解释、集成和解释的系统,对配电系统提出了更高要求。这类处理器非常耗电,使传统汽车 12V 配电总线无能为力。即使是高级驾驶员辅助系统(ADAS),12V 电气系统已不能提供所需的能量。未来的车载计算机会消耗上千瓦电力,让 12V 系统的功率消耗殆尽。因此,无论是现在的混合动力、纯电动汽车,还是未来的自动驾驶汽车,都需要 48V 系统来承受高耗能的负载。

 

2. 为什么是 48V 技术?

既然问为什么,就要说说作为一种颠覆性技术的 48V 总线配电有哪些优势?业界的一些观点归纳如下:

 

·增加动力,减少排放。功率的增加可以使内燃机更有效地运转,帮助主机厂更快地满足排放法规要求。已经推出的具有启停功能的轻混动力汽车,可以使发动机在滑行、制动或停止时暂时关闭,然后迅速重新启动,提供部分动力。轻混动力车的电机用于补充内燃机能量,不能单独为汽车提供动力。

 

支持传统 12V 系统的 48V 电气系统

 

·回收储存能量。48V 系统采用大容量锂电池和再生制动系统,通过再生制动或恢复制动,可将汽车减速时损耗的动能转换为电能,存储在 48V 大容量电池中,并能利用回收的能量支持内燃机的电气装置。再生制动可以在由停车变为加速行驶时,将所存储的能量用于推动车辆前行,从而实现比通常更快的速度。

 

·满足大功率用电。48V 系统汽车不会发生人们抱怨的 12V 系统汽车熄火时暖通空调(HVAC)断电的情形。对于稳定性控制或空调压缩机等依靠大电流的负载,48V 系统可实现安全和舒适的功能,在性能和效率上更胜一筹。

 

·利用剩余能量。存储的能量可随时用于车窗除霜或加热座椅。现在,越来越多主机厂正在使用新型红外发热板直接供热,而不浪费电能来加热汽车的其余部分。但是,红外发热板的挑战在于每个座椅需要约 500 瓦功率,这几乎是 12V 电气系统所无法承受的。

 

因此,对 48V 总线配电的需求越来越明显,但 48V MHEV 要想在未来一段时间化解汽车电气化难题,仍需借助供应链源头半导体厂商一臂之力。

 

3. 众多主机厂试水 48V 系统

英飞凌汽车电子事业部副总裁兼高功率业务线总经理 Stephan Zizala 博士认为:“未来十年,全世界大多数新生产的汽车都将实现部分或完全电气化。市场调研表明,2020 年到 2030 年,采用 48V 供电系统和 MHEV 系统的车型产量有可能增加十倍以上。我们所能做的是为轻混动力汽车的强劲增长做好准备。”

 

Stephan Zizala:为轻混动力车强劲增长做好准备

 

根据 Navigant 的预测,2025 年全球新车销量中 48V MHEV 动力车可能占据 14%的市场份额,而汽油或或柴油发动机的市场份额将减至 65%。

 

目前,48V MHEV 市场已出现一大批重要玩家,既有 Tier 1,也有主机厂。如博世、大陆、德尔福、法雷奥、奥地利 AVL、日立汽车、舍弗勒、福特、通用、菲亚特、克莱斯勒、丰田汽车、日产、本田、奔驰、宝马、奥迪、现代汽车、三菱汽车、马自达、斯巴鲁等;国内的吉利、长安、北汽、江淮、长城等企业也都在布局 48V 系统车型。

 

不管是哪种类型的汽车,要在未来引领市场,就要实现更高的效率,同时减小体积和重量,降低成本,所以必须采用高效率的功率半导体器件,而汽车的电力系统更是重中之重。

 

4. 混合动力引擎创新案例

2022 年,颇负盛名的英国房车锦标赛(BTCC)将增加一个新的维度,成为业界首个采用 MHEV 汽车的大型房车锦标赛。赛事使用全新德尔塔汽车运动公司(Delta Motorsport)智能功率密集型电池组,无需使用交流发电机,不仅减轻了重量,而且提高了可靠性。

 

BTCC 即将推出 MHEV 锦标赛

 

BTCC 规定,车手可以战术性地使用电机提升车辆性能,并提高车辆加速能力。为此,Delta Motorsport 设计了新的电池组和相关电子产品。全新的 48V 锂离子电池组采用创新型智能电源管理及高功率密度 DC-DC 转换器和稳压系统。电池组为逆变器 - 电机组合供电,并使用其产生的再生电力,同时高功率密度转换器可为汽车的所有电路和设备供电。这种架构实现的功率密度和电源管理水平无需使用交流发电机系统,从而进一步减轻重量,提高性能与可靠性。

 

Delta Motorsport 工程总监 Nick Carpenter 表示,该系统利用模块化供电网络(PDN)实现了小体积、轻重量和高性能。混合动力系统的三相无刷电机通过双向逆变器连接电池,双向逆变器将电池电源输送至电机,并将电机产生的再生电力返回到电池。

 

 

Nick Carpenter:模块化 PDN 可以实现小体积、轻重量和高性能

 

他介绍说:“在最初前往维修道的限速行驶过程中,电机以纯电动模式(仅电机,无内燃机)驱动车辆,然后当驾驶员要求在比赛中提升性能时,电机以 MHEV 模式(与内燃机一起)驱动车辆。”

 

看看电池组智能与管理有哪些创新?

·电池组及电池管理系统:可控制所有电池电压,并确保电池在与电机 - 逆变器控制器通信的同时,随时处理可能出现的最大充电和放电电压。根据电池充电状态(SoC),系统不断计算并向控制器提供电池能够提供或接受电流量的更新信息,在低 SoC 下降低功率需求,而在高 SoC 下限制再生发电。系统还可实时监控所有可用电池的温度,并将结果反馈到可用的功率计算中。此外,如果出现问题,它可以打开接触器,安全地隔离电池组。

 

控制和电源管理

 

·供电网络:用 48VDC 电源为四个并联的 DC-DC 转换器供电,后者共同提供高达 92 安培的 13.8V 稳压电源(功率约 1.2 千瓦)。负载由四个转换器共担,尽管只用三个转换器(即 N+1 或航空级冗余)就可以完全支持负载。

 

混合动力布局

 

·DC-DC 转换器:电源系统使用四个 Vicor DCM3623 隔离式稳压 DC-DC 转换器 ChiP(封装级转换器)电源模块,从电池组提供 13.8V 稳压输出,电流最高可达 92 安培。由于其外形小巧,转换器安装在与延伸到电池单元之间直接热接触的微孔冷却板上。电池管理系统的数据日志和诊断可记录 DC-DC 转换器的性能,检查故障状态,提供车辆所有准确电流量的反馈。

 

ChiP 电源模块

 

这一模块化电源组件在最初的电池组测试中表现优异,无需降额运行,也没有电压骤降。供电网络将最大体积留给了供电的电池单元,而不是电源组件本身,这一点至关重要。因此,该供电网络展现出了极大的优势,DCM 模块的可扩展性和易于并联实现了模块化电源架构,让 Delta 在不牺牲功率的前提下实现了所需的小尺寸 DC-DC PDN 定制。

 

Delta 还采用了一种用于不间断电源(UPS)的小型 60W 隔离式转换器 Vicor PI3105,为电池组电子设备供电,以便在与车辆电源隔离时维持安全系统运行;还允许电子设备的供电独立于车辆,以实现系统检查的远程连接。

 

5. 比对 12V 与 48V 供电网络

未来的汽车将不可避免地需要更小、更轻及更高效的电源产品来满足日益增长的性能需求。随着主机厂转向能够处理高功率的 48V 电池,模块化方法可以通过更小、更轻的线缆和连接器提高供电网络效率,从而降低功耗和重量。

 

Vicor 应用工程总监 Paul Yeaman 认为,48V 的高密度和高效率对汽车动力至关重要。他说:“对汽车产业来说,48V MHEV 系统是快速推出排放更低、行驶里程更远、油耗更低的全新车辆的捷径。它还为提高性能并减少二氧化碳排放提供了令人兴奋的全新设计选项。”

 

Paul Yeaman:48V MHEV 系统是快速车辆创新的捷径

 

对比一下传统 12V 集中式架构和 48V 分布式架构,不难发现,集中式 48V-12V DC-DC 转换器(SilverBox)大多很笨重,线束也很粗重,因为使用的是较早的低频率开关 PWM 拓扑。此外,它们也会为大量关键动力总成系统带来单点故障。

 

传统 12V 集中式配电架构

 

 

48V 分布式架构

 

而采用模块化电源组件的分布式供电架构使用更小、更低功耗的 48-12V 转换器为 12V 负载的车辆配电。通过简单的功率方程式 P = V • I 和 PLOSS = I2R 就可以知道为什么 48V 配电比 12V 更高效。

 

与 12V 系统相比,对于给定功率级而言,48V 系统电流低四倍、功耗低 16 倍。在 1/4 电流下,电缆和连接器更小、更轻,成本也更低。此外,分布式电源架构还有显著的热管理及电源系统冗余优势。

 

效率 94%和 98%的 DC-DC 转换器

 

Yeaman 说:“引入 48V MHEV 系统,一旦完成设计,主机厂就会有很大的优势。当然,克服对长期存在的 12V 供电网络改造的犹豫可能是最大的挑战。改变供电通常需要经过大量测试的新技术,而且可能还需要尊崇汽车产业的高安全性及高质量标准供电的全新供应商。”

 

6. 混动和纯电动车都可用

增加 48V 电池,可以为动力总成及底盘系统负载供电,为工程师提供各种选项。不过,现在的选择是,既可以直接处理 48V 输入,也可以保留泵、风扇和电机等原有 12V 机电负载,无需通过稳压 DC-DC 转换器将 48V 转换成 12V。

 

为了管理变革与风险,现有 MHEV 供电系统在增加 48V 负载的同时,仍使用数千瓦的大型集中式 48V 至 12V 转换器,将整个汽车的 12V 电源提供给 12V 负载。然而,这种集中式架构不仅没有完全利用 48V PDN 的优势,而且也没有利用现在可用的高级转换器拓扑、控制系统与封装的优势。

 

Vicor 全球汽车业务开发副总裁 Patrick Wadden 认为:“使用高密度积木式设计的 48V 分布式电源架构才是更具优势的做法。而且,不管是混动还是纯电动车都可以使用这样的方法。”

 

Patrick Wadden:密度积木式设计分布式电源才是最佳做法

 

分布式供电的模块化方法的最大优势是高度可扩展性。

 

•混合动力车:根据不同分布式负载的电源分析,可以设计一个模块并对其进行适当功率粒度及扩展性认证,用于并行阵列扩展。通过使用分布式模块代替大型集中式 DC-DC 转换器,能够以显著降低的成本实现 N+1 冗余。如果在汽车开发阶段负载功率有变,该方法依然有优势。工程师可以增减模块,无需对整个已完成定制电源进行修改。另一个设计优势是缩短开发时间,因为模块已获得了相应认证。

 

混合动力车的模块化方法

 

•纯电动汽车:由于动力总成和底盘系统的高功率需求,需要使用高压电池。48V SELV(安全特低电压)PDN 对主机厂来说仍然有很大好处,但是,现在电力系统设计者面临着一个额外的挑战,即高功率 800V 或 400V 至 48V 的转换。

 

由于 400V 或 800V 配电的安全性要求,这种高压隔离转换器的分散非常困难而昂贵。然而,可利用电源模块设计一种大功率集中式定比转换器来代替大型 SilverBox DC-DC 转换器。

 

那么,就可以使用适当粒度和可扩展性级别的电源模块,然后很容易并联起来满足一系列具有不同动力系统和底盘电气化要求的车辆。

 

纯电动车的模块化方法

 

7.48V 系统的未来

在汽车市场上,48V 电源技术正在迅速发展,以充分满足纯电动汽车、混合动力汽车以及轻度混合动力汽车的需求。分布式模块化的汽车供电架构可简化复杂的供电挑战,从而提高性能和生产力,缩短上市时间。

 

还有最重要的一点,轻混动力 48V 系统能以 30%的成本提供完全混合动力汽车 70%的好处,特别是在节能减排方面效果不错。