隨著油耗法規的日趨嚴謹及具連接性自主駕駛能力的迅速普及,舊式12伏特(V)汽車電氣系統已經面臨可用功率的極限。同時,汽車電子系統的大量增加、再加上相關的功率需求,催生了一系列的新工程設計機會和挑戰。因此,具有其3kW功率門檻的12V鉛酸電池汽車系統則進一步獲得補足。

新近提出的一項汽車標準LV148將輔助的48V匯流排與現有的12V系統加以組合。48V電源軌包括一個整合式啟動發電機(ISG)或一個帶式啟動發電機、一組48V鋰離子電池和一組用於從48V和12V組合式電池提供高達10kW可用電能的雙向DC/DC轉換器。此項技術因應傳統的內燃機(internal combustion)汽車,以及混合動力電動車和輕度混合動力車,因為汽車製造商竭力地滿足要求日益嚴苛的CO2排放目標。

通常,12V匯流排將繼續為點火、照明、資訊娛樂和音訊系統供電。48V匯流排將向主動底盤系統、空調壓縮機、可調懸掛、電子超級電容/渦輪增壓機供電並支援再生制動(regenerative braking)。另外,使用附加48V匯流排(預計很快就會在量產車型上出現)的決定還能支援引擎啟動,這將使軟啟動操作更加平穩。再者,較高的電壓意味著所需的電纜截面積較小,因此可縮小電纜尺寸和重量。今日的高階汽車可能具有超過4km的配線。汽車將變得更像個人電腦(PC),從而為許多隨插即用式裝置創造了可能性。平均來說,通勤者每天有9%的時間花費在汽車上,於是,將多媒體和遠端資訊處理引入汽車可潛在地提高工作效率和提供額外的娛樂。

用於自主駕駛的主要元件包括電腦、攝影機、雷達和光達(LiDAR)感測器,所有這些都需要額外的能量。該附加能量是改善汽車的連接性所必需的,這種連接性並不僅僅是對於網際網路(Internet),還包括其他車輛和建築物、交通號誌及所處環境中的其他構造物。此外,動力傳動系統元件、動力轉向、油泵和水泵將從機械式轉換為電動式。

48V電池系統的未來,距離我們要比全自主駕駛型汽車近得多,儘管很多汽車供應商看到了在未來短短幾年裡市場對於自動駕駛汽車最終所需技術構件的強勁需求。根據有些汽車製造商提供的資訊,對於內燃機引擎汽車而言,基於48V的電氣系統可使燃油經濟性提升10%~15%,從而減少CO2排放量。

而且,採用48V/12V雙系統的未來汽車,將允許工程師整合獨立於引擎負載而工作的電力升壓器技術,由此說明改善汽車的加速性能。已經處在其高階開發階段的壓縮機被置於進氣系統和中間冷卻器之間,並採用48V以啟動渦輪增壓機。

然而,對於整條產業價值鏈上的供應商來說,在汽車中實現一個額外的48V電源網路卻轉變為重大的設計挑戰。尤其半導體和電子控制單元(ECU)的供應商將受到影響,他們將需要把產品的操作範圍調節至較高的電壓,而且部分地重新設計自己的產品。相對地,DC/DC轉換器的製造商將需要開發和推出專用的IC以實現這種高功率傳輸。凌力爾特設計和開發了可簡化此類能量傳輸並具有高效率的DC/DC轉換器來達到節能的目的,同時因其低功率損耗而最大限度地減少了所需的熱設計。

很明顯,對於在12V和48V電池之間來回切換的雙向降壓和升壓DC/DC轉換器存在著需求。該DC/DC轉換器可用於為任一電池充電,並允許兩個電池在需要的時候向同一個負載供應電流。早期的大多數48V/12V雙電池DC/DC轉換器設計採用不同的功率元件來實現升壓和降壓。然而,凌力爾特近期推出的雙向DC/DC控制器採用與實現降壓相同的外部功率元件來執行升壓轉換。

單一雙向IC解決方案

單一雙向IC是一款100V/30V雙向兩相同步降壓或升壓控制器,其在12V和48V電路板網路之間提供了雙向DC/DC控制和電池充電。它可操作於降壓模式(從48V匯流排至12V匯流排)或升壓模式(從12V~48V)。任一模式可利用一個施加的控制訊號依需求配置。可以對多達12相位實施並聯和異相定時,以最大限度地減少針對高電流應用(250A)的輸入和輸出濾波要求。當並聯時,該元件的高階電流模式控制架構在相位之間提供較佳的電流匹配。對於12相位設計,可在降壓模式或升壓模式中提供達5kW的功率。

當啟動汽車或需要額外的功率時,控制器元件透過將能量從一個電路板網路轉換至另一個電路板網路而允許兩個電池同時提供電能。可實現97%的效率,而且晶片上內電流設置迴路負責調節可在任一方向上輸送至負載的最大電流。4個控制迴路(2個用於電流、2個用於電壓)可在48V或12V電路板網路上實現電壓和電流控制。

該控制器可操作於一個介於60kHz~475kHz間的可選固定頻率,並能同步至一個頻率位於相同範圍內的外部時脈,在輕負載時,使用者可以選擇執行連續操作或脈衝跳躍操作。該元件的其他特點包括超載和短路保護、針對降壓和升壓的獨立迴路補償、用於提高效率的EXTVCC、整個溫度範圍內的±1%輸出電壓調節準確度,以及欠壓和過壓閉鎖功能。新控制器已被驗證符合AEC-Q100規範,並且專為ISO 26262系統中的診斷覆蓋而設計。

新控制器IC採用耐熱性能增強型48接腳LQFP封裝。目前提供三種溫度級版本,擴展和工業溫度級版本在-40~125℃溫度範圍內運行;高溫汽車級版本則操作在-40~150℃溫度範圍。圖1顯示其典型應用電路原理圖,原理圖頂部的P通道MOSFET用於過流和短路保護。

20170413TA01P1 圖1 LTC3871雙向原理圖(從一個26~58V輸入產生12V輸入,可提供30A電流)。

整合式啟動發電機

電子控制式ISG用單個電氣裝置取代了傳統的啟動機和交流發電機,原因如下:

˙為了免除啟動機,在引擎操作期間它是僅有的被動元件; ˙取代目前在交流發電機和曲軸之間的皮帶及皮帶盤耦合; ˙在拋載期間提供發電機電壓的快速控制; ˙為了免除某些現用繞線轉子交流發電機中的滑環和電刷。

ISG具有三個重要的特點,它們是啟-停(start-stop)功能、發電和動力輔助。ISG使得內燃發動機能夠關斷其引擎以在汽車停駛時節省燃油,並在踩壓油門踏板時立即重新起動汽車。ISG通常被稱作啟-停系統,其有助於在起動引擎時實現較為平穩的轉換。與傳統的交流發電機相似,ISG在汽車運行時產生電能,此外,ISG還能透過產生電能為汽車減速提供幫助(再生制動)。在再生制動過程中產生的電能給48V電池充電,這反而減少燃油消耗及其最終產生的CO2排放量。

圖2所示為方框圖,該圖顯示了ISG、控制器IC及12V和48V電池如何整合到一輛內燃機汽車中。

20170413TA01P2 圖2 LTC3871典型應用方框圖。

降壓和升壓模式

利用一個簡單的控制訊號可使控制器元件動態和無縫地從降壓模式切換至升壓模式,反之亦然。有兩個用於VHIGH或VLOW調節的單獨誤差放大器。擁有兩個誤差放大器可獨立地針對降壓和升壓模式進行迴路補償的微調,以優化暫態響應。當選擇降壓模式時,對應的誤差放大器被致能,而且ITHLOW電壓負責控制峰值電感器電流;另一個誤差放大器被停用。在升壓模式中,ITHHIGH被致能而ITHLOW被停用。在降壓至升壓轉換或升壓至降壓轉換期間,內部軟啟動功能電路重設,使軟啟動復位並將ITH接腳置於零電流水準可確保實現至新選擇模式的平滑轉換。

多相操作

可對多個控制器IC元件進行菊鏈式連接以實現異相運行,從而在不增加輸入和輸出電壓漣波的情況下提供更大的輸出電流。SYNC接腳使得控制器能夠同步至另一個控制器的CLKOUT訊號。可將CLKOUT訊號連接至後一個控制器級的SYNC接腳,以與整個系統的頻率和相位保持一致。可採用菊鏈的方式連接總共12相位,相互之間以異相同時運行。

圖3所示的展示電路DC2348A可利用一個或兩個控制器元件配置為2相位或4相位。圖中所示為4相位版本,當操作在降壓模式時,該展示電路具有一個30V~75V的輸入電壓範圍,並在60A的電流下產生一個12V輸出。當工作於升壓模式時,輸入電壓範圍為10V~13V,並在10A的電流條件下產生一個48V輸出。

20170413TA01P3 圖3 LTC3871四相位演示電路板。

圖4中的控制器元件效率曲線表示的是,採用兩個控制器元件的四相位展示電路板設計。降壓模式曲線是從48V降壓至12V(在60A),而升壓曲線則是從12V升壓至48V(在10A)。兩者均具有97%的峰值效率。

20170413TA01P4 圖4 LTC3871降壓和升壓效率曲線(對於4相位設計)。

過流保護

在降壓模式中,控制器元件包括電流折返保護功能,以限制過流情況下或VLOW短路至對地時的功率耗散。如果VLOW降至低於其標稱輸出位準的85%,則最大檢測電壓從其最大程式設計值逐步地降低至最大值的三分之一,折返電流限制在軟啟動期間被致能。在具有非常低工作週期的短路情況下,控制器將開始執行週期跳躍,旨在限制短路電流。

在典型的升壓型控制器中,同步二極體或同步MOSFET的體二極體傳導電流(從輸入至輸出)。因此,如果未採用一個隔離二極體或MOSFET來阻隔電流,那麼一個輸出(VHIGH)短路將下拉輸入(VLOW)。當VHIGH短路至對地時,控制器元件採用一個外部低RDS(ON) P通道MOSFET來提供輸入短路保護。在正常操作中,P通道MOSFET始終保持導通,其閘極-源極電壓被箝位至15V(最大值)。當UVHIGH接腳電壓變至低於其1.2V門檻時,FAULT接腳在125μs之後走低。在該點上,PGATE接腳關斷外部P通道MOSFET。

結論

控制器元件透過允許將相同的外部功率元件用於降壓和升壓目的,將新的性能水準、控制和簡化帶給48V/12V雙電池DC/DC汽車系統。該元件可按需求操作於降壓模式(從48V匯流排至12V匯流排)或升壓模式(從12V~48V),並可以對多達12相位實施並聯以滿足高電流應用的需要。當啟動汽車或需要額外的功率時,該元件允許兩個電池同時為同一個負載提供電能。運行車輛的部分電子系統的附加48V電池將在提高可用能量上發揮核心作用,同時還可減少線束重量和損耗。這種額外的能量為採用新技術鋪平了道路,從而可使汽車的安全性和效率得以提升,同時降低了其CO2排放量。