輕混合電動車電氣系統48V/12V高功率轉換器

作者 : Mustafa Dinc,Vishay汽車業務發展

48V輕混合電動車(MHEV)面臨日益嚴峻的挑戰,48V/12V轉換器需要靈活滿足未來需求,依照不同車款,輸出功率將達到1.2kW至3.5kW之間。除了輸出功率外,首要任務是以可擴展的概念來最佳化成本,因為每一款車型配置並不相同…

48V輕混合電動車(MHEV)面臨日益嚴峻的挑戰,48V/12V轉換器需要靈活滿足未來需求,依照不同車款,輸出功率將達到1.2kW至3.5kW之間。除了輸出功率外,首要任務是以可擴展的概念來最佳化成本,因為每一款車型配置並不相同。

調節汽車電氣系統的電壓轉換器

近年來,主動安全、節能減排等領域的大量應用已整合到新車型中。這些應用包括起停系統(微混)、電動水泵、空調壓縮機、渦輪增壓器、助力轉向、翻滾抑制系統、駐車制動器、自動變速器和無真空助力制動器。此外還有ADAS(雷達、光達、內建超快處理器的監視器)和選擇性催化還原系統(柴油機尾氣處理液等)。因此,調節汽車電氣系統的電壓轉換器,其功率需要達到1kW,48V/12V雙向電壓轉換器功率則高達3.5kW。

開發人員面臨的問題是:如何建構48V/12V轉換器?是否必要為所有車型提供3.5kW最大功率?也就是說,在1.2kW到3.5kW輸出範圍裡,究竟需要多少?取決於車型的選擇配備。在現有48V起動發電機基礎上,已見汽車製造商推出越來越多配備48V皮帶驅動起動發電機的柴油汽車。

42V電氣系統

2000年,首次嘗試使用42V汽車電氣系統因多種原因導致失敗收場。因此,從2003年開始,使用12V的微混電動車漸漸取而代之。這種臨時解決方案(起停系統方案)改善了大約5%的能耗。現行60%以上的車輛中,都能見到這樣的系統。12V汽車電氣系統電壓調節最大波動範圍為3V (11V至14V),這可以防止其他電氣設備受到負載波動的影響,並避免車輛電氣系統處於危險狀態。

 

圖1:3.5kW DC/DC轉換器基於六相直流轉換器,並使用IHDM電感。

(來源:Vishay)

 

如果輸出電壓降至11V以下,系統功率會根據情況下降。低於9V時,部分控制單元將根據功能和能量要求隨之減速或關閉。電壓若降至6V以下,則會造成車輛電氣系統完全失效。因此,所有微混電動車所需要的DC/DC電壓轉換器(圖1)功率範圍需為400W至1.5kW,以確保起停功能正常運作,同時不會對車輛裡的其他設備產生負面影響。

調節汽車電氣系統的DC/DC轉換器

DC/DC轉換器用於調節穩壓12V微混電動車的電氣系統,以防重新起動時電氣系統電壓下降,進而使得資訊娛樂系統、音訊和照明系統得以連續不間斷工作。配置著分流檢測電阻器的智慧電池感測器,則可以連續測量電池功率和耗電量。12V系統能耗有限,即使採用最大功率發電機,也無需為額外的動態大電流系統供電。

因此,藉由提高電氣系統的工作電壓,從而得以開發新的交流發電機。這使得汽車製造商試著整合其他大功率電氣設備,為整車效率提升,提供了極大的靈活性和可能性,這些汽車通常稱為輕混合電動車。

免調節48V電氣系統

相較於12V汽車電氣系統,48V系統工作電壓波動範圍為16V (52V至36V),並且不會進行調節。所有48V控制單元必須在36V至52V內可靠運作。測試指出,48V系統中,大於48V的動態電壓上限最長持續3秒,而動態電壓下限持續時間長達100秒。雖然48V MHEV不需要電隔離,但由於必要的防觸電保護,因此任何情況下,最大電壓極限也不得超過60V。測試標準為VDA 320。根據VDA 320開發的設備皆能在定義的電壓範圍內可靠運作。

專為48V系統(< 60VDC的低壓系統)設計的起動發電機,其峰值功率為15kW到20kW,持續功率為5kW到10kW。這種48V功能系統可以直接應用於所有大電流應用,如空調壓縮機、風擋除霜器、電動壓縮機(渦輪增壓器)和48V PTC預熱器。但也由於成本的考量,許多低於600W的12V應用還不能轉換為48V。

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雙向電壓轉換器

MHEV需要48V和12V電池(圖2)。因此,未來5至10年,48V MHEV需要安裝雙向48V/12V電壓轉換器,這些轉換器將取代12V交流發電機。所需功率超過600W的電氣系統將逐步轉換為48V子系統,電動助力轉向等動態系統,以及啟動發動機時,必須使用12V電池作為緩衝器。

起停系統仍是減少二氧化碳排放的解決辦法。混合動力車需要第二電壓。48V電動車(MHEV)二氧化碳排放減少16%,同時發動機功率可提高23%。出現的一大問題是,如何建構48V/12V轉換器,是否必要為所有車型提供3.5kW最大功率?也就是說,需要1.2kW到3.5kW哪個功率等級,取決於車輛選型配置。

降壓-升壓轉換器

這種類型的轉換器要求非常高。從48V輸入(端子40)開始,電壓從24V到最大54V不等,輸出端(端子30)也面臨嚴峻挑戰,工作電壓範圍6V到16V。極高的輸入電流(升壓模式)和輸出電流(降壓模式)幾乎一樣高,降壓-升壓電流增加與兩種汽車電氣系統的低電壓成反比。在3.5kW降壓-升壓轉換中,短時間內電流會變得非常高,尤其在最低輸入電壓的情況下。

除了實現高效率面臨的挑戰(> 96%)之外,擴展性和成本最佳化也增加了困難度。預計未來許多車輛(尤其是柴油車)將轉換為48V輕混合系統,因此應以可擴展的電壓轉換器策略為目標。針對這類的高功率需求,設計轉換器時,甚至需要考慮是否拓展到80V和100V新型半導體元件,以及用於儲存和濾波的大電流電感。

 

圖2:48V MHEV的簡化圖。

(來源:Vishay)

 

Vishay產品幾乎涵蓋每一種拓撲結構(3、4、6或8相同步整流直流轉換器)、IHDM系列大電流電感(圖3)和IHLP系列對稱耦合和不對稱耦合電感。產品組合還包括對效率影響很大的半導體元件,如功率MOSFET、最大功率高達15W的高精準度檢流電阻、瞬態電壓抑制器(TVS)二極管。除了IHDM系列大電流鐵粉芯線圈濾波器之外,新型IHSR貼片電感是輸出端子40 (48V)輸出濾波器眾多選擇中的關鍵元件。

 

圖3:客製降壓-升壓IHDM儲存線圈。

(來源:Vishay)

 

考量到3.2kW的高功率轉換,端子40電流大約74A;低壓端子30的電流更高達292A (圖4)。設計這樣的應用時,則會選擇多相的轉換器系統,因為它們具有最佳效率/成本/體積比。

 

圖4:DC/DC轉換器為6相、1.5kW,使用IHLP6767GZ標準電感。

(來源:Vishay)

 

總結

為提供12V電壓各種功率等級(1kW至3.5kW)的系統,數位穩壓器是類比調節雙向電壓轉換器的首選。理由如下:

靈活

  • 局部可變功率設置
  • 軟啟動或數位電流調節
  • 故障辨識(透過匯流排系統通訊)和可變相移
  • 可擴頻降低電磁干擾(EMI)

效率

  • 元件負載範圍內單組相位關閉
  • 利用變頻選擇最佳化效率;如使用最大功率點追蹤(MPPT)自動最佳化效率
  • 單相效率分析——最佳化元件負載策略

温度

  • 元件負載範圍內單相迴圈滿負荷使用
  • 溫度監測
  • 風扇控制
  • 各相位負載依溫度分析

在電壓高達60V (端子40),最大峰值電壓達70V的條件下,為了在這功率等級下可靠運作,48V系統必須採用耐壓至少80V的MOSFET。

最後,最大的挑戰是以可擴展概念最佳化雙電氣系統的成本,因為出售的每款車型,以及配置並不相同。48V MHEV前景預測極為可觀,到2025年,這一配置可能會佔到所有車輛的25%。

 

 

 

 

 

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