“CASE”(Connected、Autonomous、Shared & Services、Electric)已經(jīng)成為一種新型汽車或移動(dòng)設(shè)備的流行語(yǔ)。在這種情況下，人們提出了前所未有的技術(shù)和概念，也遇到了技術(shù)方面的各種課題。在本專欄中，我們將從圍繞此類汽車的技術(shù)趨勢(shì)中介紹與電子產(chǎn)品相關(guān)的主題。
本次是第一次，我們將介紹以歐洲為中心逐漸推廣的輕度混合動(dòng)力車，以及伴隨輕度混合動(dòng)力車的出現(xiàn)增設(shè)到傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)上的48V系統(tǒng)。

由于更嚴(yán)格的廢氣排放限制而備受矚目的輕度混合動(dòng)力車

為了阻止被認(rèn)為是大規(guī)模氣候變動(dòng)原因之一的全球變暖，人們采取了各種各樣的舉措來(lái)減少汽車排放的CO2(二氧化碳)。歐盟對(duì)廢氣排放限制特別嚴(yán)格，針對(duì)未來(lái)進(jìn)一步嚴(yán)格的限制，如何應(yīng)對(duì)這種限制將給汽車廠商帶來(lái)沉重的開發(fā)負(fù)擔(dān)。
其中，“輕度混合動(dòng)力”作為可以在活用傳統(tǒng)的汽油動(dòng)力車或柴油動(dòng)力車的基本設(shè)計(jì)的同時(shí)減少二氧化碳排放的驅(qū)動(dòng)方式而備受人們的關(guān)注。
輕度混合動(dòng)力車的原理是，配備一個(gè)小容量的二次電池和一個(gè)輔助性的馬達(dá)，通過(guò)在啟動(dòng)和加速時(shí)借助馬達(dá)的輔助來(lái)抑制引擎的油耗，據(jù)說(shuō)通過(guò)與怠速停止功能進(jìn)行組合，它的燃油效率可以提高20%左右。
混合動(dòng)力車(HEV)和插電式混合動(dòng)力車被稱為“強(qiáng)混合動(dòng)力車”，在燃油效率方面優(yōu)于輕度混合動(dòng)力車，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的開發(fā)工時(shí)。
由于輕度混合動(dòng)力車可以基于現(xiàn)有的底盤和動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，以德國(guó)為中心的眾多汽車廠家正在使用輕度混合動(dòng)力車而不是強(qiáng)混合動(dòng)力車來(lái)應(yīng)對(duì)廢氣排放限制。日本的部分汽車廠家也在積極研發(fā)輕度混合動(dòng)力車。

通過(guò)48V系統(tǒng)提高輕度混合動(dòng)力的效率

輕度混合動(dòng)力車的大致構(gòu)成如圖1所示。
其中，與普通汽車相比，構(gòu)成上的主要差異如下：

新增48V的電器系統(tǒng)；

通過(guò)由一個(gè)加速時(shí)輔助引擎的馬達(dá)(減速時(shí)為交流發(fā)電機(jī))、和一個(gè)為馬達(dá)提供電流的二次電池以及其他輔助設(shè)備類來(lái)構(gòu)成48V系統(tǒng)；

48V系統(tǒng)和12V系統(tǒng)通過(guò)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器連接。

圖1.48V系統(tǒng)輕度混合動(dòng)力車的大致構(gòu)成

其中一點(diǎn)是新增的48V系統(tǒng)。
汽車除了一些大型車輛外，傳統(tǒng)上使用12V輸出鉛酸蓄電池。
而在輕度混合動(dòng)力車中，在加速時(shí)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電力和在減速時(shí)將馬達(dá)作為發(fā)電機(jī)使用回收的電力都很大，若在12V系統(tǒng)上構(gòu)成，電流值將達(dá)到數(shù)百A（安培）。
此外，由于鉛酸蓄電池不能快速充放電，還有傳統(tǒng)的12V系統(tǒng)本來(lái)就不適合輕度混合動(dòng)力車這個(gè)問(wèn)題。此外，動(dòng)力轉(zhuǎn)向等部分輔助設(shè)備的大容量化，在12V系統(tǒng)上受到限制，因此要求供給更高的電壓。
在這種情況下，有別于12V系統(tǒng)，為了重新設(shè)計(jì)適合于輕度混合動(dòng)力車的電壓系統(tǒng)而提出了48V系統(tǒng)的方案。
如果將電壓增大4倍，則供給相同電力時(shí)的電流只要1/4即可，線束上的損耗減小，無(wú)需使用粗重的線束。此外，48V作為電壓并不算高，所以易于構(gòu)成一個(gè)包括安全對(duì)策在內(nèi)的電路。

輕度混合動(dòng)力車和48V化并非等同，但由于這個(gè)背景，通常成對(duì)使用12V和48V。當(dāng)然，還包括由48V以外的電壓構(gòu)成的輕度混合動(dòng)力車。

汽車加速時(shí)和減速時(shí)輕度混合動(dòng)力車的動(dòng)作

汽車加速時(shí)和減速時(shí)輕度混合動(dòng)力車的大致動(dòng)作如下所示。

加速時(shí)
通過(guò)使用二次電池的電力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)并輔助加速來(lái)減少引擎的燃油消耗，提高燃油效率。(圖2)

減速時(shí)
將馬達(dá)用作交流發(fā)電機(jī)，在二次電池中存儲(chǔ)能量。同時(shí)，還進(jìn)行12V系統(tǒng)鉛酸蓄電池的充電。這就是所謂的再生制動(dòng)方式。(圖3)

構(gòu)成輕度混合動(dòng)力車的馬達(dá)不只是輔助加速，而且在減速時(shí)也起到發(fā)電機(jī)(交流發(fā)電機(jī))的作用。該裝置也被稱為ISG(Integrated Starter Generator，集成起動(dòng)發(fā)電機(jī))，因?yàn)樗?jīng)常兼作起動(dòng)馬達(dá)的功能。
二次電池的作用是在短時(shí)間內(nèi)將馬達(dá)減速時(shí)產(chǎn)生的電力儲(chǔ)存起來(lái)，并在馬達(dá)加速時(shí)瞬間提供馬達(dá)所需的電力。汽車上安裝的12V輸出的鉛酸蓄電池不能快速充放電，所以輕度混合動(dòng)力車上主要使用特性優(yōu)異的鋰離子電池。當(dāng)然，它不需要像強(qiáng)混合動(dòng)力車那樣大的容量。

將12V系統(tǒng)和48V系統(tǒng)連接起來(lái)的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器

從電子產(chǎn)品的角度來(lái)看，輕度混合動(dòng)力車的一個(gè)獨(dú)特組件是雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器。它的作用是將現(xiàn)有的12V系統(tǒng)與由馬達(dá)、二次電池、其他輔助設(shè)備構(gòu)成的48V系統(tǒng)連接起來(lái)。
＜12V→48V升壓動(dòng)作＞ 在用12V鉛酸蓄電池驅(qū)動(dòng)48V系統(tǒng)的輔助設(shè)備時(shí)，或二次電池充電水平不足以輔助動(dòng)作，在從12V系統(tǒng)的鉛酸蓄電池給二次電池充電時(shí)，進(jìn)行升壓動(dòng)作。
＜48V→12V降壓動(dòng)作＞ 在用48V系統(tǒng)的馬達(dá)(交流發(fā)電機(jī))產(chǎn)生的再生電力給12V鉛酸蓄電池充電時(shí)進(jìn)行降壓動(dòng)作。

圖4列出了最簡(jiǎn)單的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成示例，該轉(zhuǎn)換器組合了降壓斬波電路和升壓斬波電路。

圖4.12V/48V雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成示例

車載ECU中安裝的開關(guān)電源(DC/DC轉(zhuǎn)換器)，如 “電源電路的基礎(chǔ)知識(shí)(3)～開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)步驟～” 和 “電源電路的基礎(chǔ)知識(shí)(4)～面向ECU的電源電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)～”中所述，基本上可由市售的開關(guān)電源IC構(gòu)成。找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城
另一方面，因必須在監(jiān)控12V系統(tǒng)和48V系統(tǒng)狀態(tài)的同時(shí)精細(xì)控制從12V系統(tǒng)向48V系統(tǒng)的升壓動(dòng)作和從48V系統(tǒng)向12V系統(tǒng)的降壓動(dòng)作；功率容量大到數(shù)kW至10kW以上；除非由于大容量實(shí)現(xiàn)極高的效率否則會(huì)面臨發(fā)熱(損耗)課題等理由，輕度混合車的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器使用DSP (Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)等數(shù)字電路進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作控制，即安裝所謂的數(shù)字電源已成為主流。
在設(shè)計(jì)12V和48V的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器或連接于48V系統(tǒng)的輔助設(shè)備類時(shí)，需要注意電子零部件的額定電壓。LV 148標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定48V系統(tǒng)的電壓范圍為36V～52V，過(guò)電壓上限為60V，因此最好選定在預(yù)期工作溫度范圍內(nèi)作為額定值保持60V以上的電子零部件。

下次，我們將介紹安裝在電動(dòng)汽車等上的蓄電池和外圍電路。

圖2.輕度混合動(dòng)力車加速時(shí)的動(dòng)作示例

審核編輯 黃宇