轻松入门-48V轻混系统

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当前的大环境之下,排放法规的收紧已经成为了不可逆转的趋势,甚至已经有很多国家传出要在某一年之内停售燃油车。不过以当前的技术水平和环境之下,要提前停售传统燃油车,显然是为时过早的。目前无论怎么发展纯电动车,或者是HEV、PHEV等混合动力车型,都很难追上传统燃油车的市场占有份额。

怎么样才能让这么多传统燃油车的油耗水准快速跟进,从而应对严苛的排放法规呢?这时候一个全新的概念——48V轻度混合动力系统,就成为了各大车企需找到的技术突破口。

今天我们就来科普一下,这48V轻混系统到底是个什么玩意儿?

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众所周知,汽车上的车用电子设备,基本上是由车载的12V蓄电池组提供电力的,本质上是将发动机的一部分动力通过发电后蓄能,然后再用这部分的能量来运作。目前主流的汽车蓄电池电压是12V,以前12V的电压对于车上的电子设备来说是够用的,但是自从自动启停系统诞生之后就不一样了。

具有自动启停系统的车型,在短暂停车之后,电机需要通过带动发动机曲轴来“唤醒”发动机,而这样的负载消耗的功率,要比车上其它用电设备大得多,所以搭配启停系统的电机都经过功率加强,然而12V的车用电压就显得“心有余而力不足”,造成启停系统频繁工作时震动大、反应慢;而且停车熄火后,空调也跟着不工作了,大大影响了用户体验——于是,更大电压的48V系统就应运而生了。

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新一代的奥迪A8,已率先搭载了业界最新的48V轻混系统,此外奔驰、奇瑞、长安等厂商都已经确定会在未来新一代的车型上搭载48V轻混系统。

48V轻混系统的基本思想,其实就是通过把车用设备的标准电压提高到48V,使得它能够带动更大功率的车载系统,实现和车上其它系统更好的整合。而它的基本思想的来源,就是目前最传统的HEV混合动力车型——相当于带启停的动力系统,与高压混合动力之间的折中解决方案。

48V轻混系统的最大好处,就是在于对发动机启停、起步、刹车等工况下的优化,能直接省下不少油。首先,更高电压下驱动的更大功率的启停电机,能够更轻松地带动发动机曲轴,使得系统工作的延时更短、顿挫感更小,众多老司机们的痛点也就迎刃而解了。

而且,48V系统有了更大容量的蓄电池、更大功率的电机,所以比起一般的启停系统能实现更多功能——

譬如车辆起步、短暂停车的时候,带48V系统的动力总成可以采用纯电驱动,从而避开燃油车起步时最耗油的怠速阶段;刹车、滑行的时候,还可以通过发动机制动回收一部分动能,减少过程中的能量耗散;有一些48V系统,甚至可以在发动机停机的状态下短暂接管空调,给空调压缩机供能,避免空调一并停机。

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另外,学过高中物理的人,都会知道有这么一个公式:

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对于一个供电电压U恒定的电路系统,要满足更高的功率需求P,那么就必须要降低内部电阻R。对于车用的电子系统来说,就要用更粗的导线,这势必导致整车重量的增加,既提高了成本,又影响了油耗。但是如果直接提高电压的话就省事多了。不但高压线束的直径可以减小,甚至诸如电机等元器件的体积也可以减小。所以它对整车轻量化来说是非常有好处的。

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大陆集团开发的启停电机模块,集电机、减速器与逆变器于一体,更突显轻量化优势

可能有人会问了,既然这样,为什么不选择比48V更大的电压呢?这是因为如果电压太高的话,就要考虑到高压电路保护、电磁兼容性、车载电气系统的稳定性等问题了。如此一来,开发成本就会迅速提高。而48V的电压是一个在成本、安全、性能等方面兼顾比较好的选择。而且在这个框架下,系统设计不会过于复杂,大多数燃油车都可以沿用原来的动力总成架构、总布置,能节省很多开发的功夫(资金&时间)。

当然,48V毕竟依然是高压系统,从设计、线束选型与保护措施等方面要做的额外防护,依然会比传统燃油车更考究,成本还是会有所上升——但是这已经可以控制在一个比较合理的范围内。目前,48V轻混系统的系统方案,以及核心部件,大部分都是由大陆、博世、联电这样的大型一级供应商开发,它们中的大部分都是主攻48V的方向,对于大多数通过采购来配备轻混系统的车厂来说,开发更高电压的方案显然是多此一举。

目前,在汽车、工业设备和服务器等用途,将配电用总线电压提高至+48V的趋势越来越强,这是因为提供给微处理器、FPGA、GPU和ASIC等的电流量不断增大。以前的+12V或+7V的低电压,配电时的电力损耗过大,压降也会变大。将+12V和+7V提高至+48V的话,可以降低电力损失。不过,如果利用以往的降压型DC-DC转换器技术将+48V一下子转换为+3.3V,则无法实现稳定的降压品质,转换效率会大幅降低。

为此,罗姆此次新开发了两项技术。一项是+80V高耐压MOSFET的集成技术,另一项是将开关元件的导通时间缩短至原产品的1/6、即20ns的技术。利用该公司自主开发的脉冲控制技术,实现了“业内最短”的导通时间,可用2MHz的开关频率将+48V电压稳定降至+3.3V。由于实现了大幅降压,无需再利用中间总线电压的二级转换。不但能削减安装面积,还可以提高转换效率。主要用于汽车和工业设备等。

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反馈环路的控制方式采用电流模式。相位补偿电路能以短脉冲宽度控制,因此设计时比较简单。采用同步整流方式。输入电压范围为+12.0~65.0V。符合车载半导体IC的质量标准“AEC-Q100”。配备了过电流保护功能、低输入误动作防止功能、高输入误动作防止功能、输出过电压保护功能、温度保护功能及短路保护功能等。封装采用外形尺寸为4.0mm×4.0mm×1.0mm的24端子VQFN24SV4040。

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