将近五年前,美国政府发布了规定,要求汽车制造商的新车和卡车车队平均油耗达到 54.5 英里/加仑(每升 23.17 公里)——几乎是平均燃油经济性的两倍。在电动汽车和混合动力技术发展进入快车道的同时,基于48v动力的所谓“微混”和“轻度混合动力系统”的发展也进入了高速档。结果,长期使用的 12v 汽车电气系统走到了尽头。
48v 技术为汽车制造商和驾驶员提供了多项优势。它不仅可以减少对环境的影响,还可以提高发动机性能,最重要的是,可以降低油耗。
然而,随着新技术的出现,车辆中的电力负载量呈指数级增长。包括远程信息处理、辅助电加热系统、复杂的动力传动系统管理、防抱死制动系统 (abs)、电子稳定程序 (esp) 和其他数十种技术消耗大量能量,使设计进一步复杂化。虽然今天的交流发电机提供的功率水平可以满足这一需求,但强大的降压-升压转换器是 48v 系统的核心组件。
1955 年,汽车制造商推出了 12v 充电系统,取代了基于 6v 技术的旧系统。从 1955 年到 1980 年代,标准交流发电机的输出功率通常低于 0.5kw,尽管一些高效交流发电机可以产生高达 0.7kw 的功率。当今的车辆需要 3.5kw 的交流发电机输出——输出功率的七倍。
一个 14v 交流发电机产生 250a 电流,导致最大效率仅为 70%。因此,发动机必须额外提供 5kw 的功率。为了弥补这一点,需要大横截面的导体来提供更高的电流,这会增加车辆的成本和重量。这种重量降低了燃料效率,随后增加了 co 2排放量。
48v 系统
进入 48v 技术。48v 技术允许实现许多在 12v 系统中不实用的功能,包括支持微混合动力和轻度混合动力系统。这些功能减少了 co 2排放和整体燃料消耗,包括:
>5kw 的高性能能量回收
扩展的启停功能,例如航行或滑行
涡轮增压器、电动助力转向等单元电气化
48v 系统更多的是对现有 12v 架构的扩展,而不是替代,这使系统能够通过使用双向降压-升压转换器来处理更强大的负载,该转换器控制 12v 电平和 48v 电平(图1). 将其视为 2.5 版。
图 1:组合 12v /48v 车载电源的架构。(来源:tdk)
本次2.5版本,12v级采用标准铅酸电池,48v级采用锂离子电池,设置发电机,有助于实现更高、更高效的输出级。新的最佳实践指定并联连接双层电容器以改进电存储。
升降压转换器
如前所述,12v/48v 组合系统的核心组件是降压-升压转换器,它控制两个电压电平之间的双向能量流(图 2)。大多数降压-升压转换器专为 2kw 至 5kw 的输出而设计。
图 2:12v/48v 组合系统的降压-升压转换器电路图。(来源:tdk)
降压-升压转换器在正常模式下作为降压转换器运行,以便将 48v 电平上产生的功率正确输出到 12v 系统。如果需要48v电平输出,则采用升压模式。6 相或 8 相串联连接系统通常用于将电压和纹波电流保持在最低水平。
为了使升降压转换器在恶劣的汽车环境中正常工作,设计人员必须使用高质量、可靠的开关晶体管、功率电感器和存储电容器。例如,如果设计要求转换器中的存储和平滑扼流圈使用功率电感器,则应指定陶瓷 smd 组件。除了用于绕组的两个焊盘之外,功率扼流圈还应具有第三个焊盘,以提高 pcb 上元件的机械稳定性。如果无法使用 smd 电感器,也可以使用带 pth 端接的电感器。所有组件都应设计为在 -40°c 至 150°c 的温度范围内运行。
耐振动电容器
除电感器外,降压-升压转换器中的其他关键组件应该是坚固的铝电解电容器,用于转换器中的存储和平滑扼流圈。此类电容器还应在高达 150°c 的温度下工作。
这些电容器应专门为满足汽车电子产品的严格要求而设计,例如tdk的b41689和b41789系列。这些铝电解电容器的特点是高达 60g 的极高振动强度和焊星设计。一些电容器的两端都带有阴极板触点,以实现低 esl 值的优化安装。
指定的电容器还应具有低等效串联电阻 (esr) 值,从而产生更高的纹波电流能力和更低的损耗。电容器的额定电压应为 25v、40v(对于 12v)和 63v(对于 48v)。有了这些电压,它们就可以在两个电压等级的新车载电源系统中使用。电容范围从 360µf 扩展到 4500µf。
电动涡轮增压器
48v 技术提供了额外的好处,使电动涡轮增压器或电动涡轮增压器能够更高效地驱动发动机(图 3)。直到最近,传统的涡轮增压器都是由废气驱动的,这意味着随着发动机转速的提高,它们的性能会更好。传统涡轮增压器的一个缺点是从它们启动到启动的时间稍有延迟。这种延迟被称为涡轮迟滞。
48v 系统通过使用电动充电器消除了这一缺陷。这使得涡轮增压器能够即时响应并以较低的速度工作,从而提高整体效率,无论是在城市交通条件下还是在高速公路上。
图 3:电动涡轮增压器可提高发动机效率。(来源:tdk)
事实上,将传统涡轮增压器与电动涡轮增压器相结合可进一步提高增压压力,以便在发动机高速运转时关闭电动增压器,从而节省功率并提高整体效率。
48v 技术不仅提高了发动机性能和效率,而且对希望降低油耗的驾驶员也很有吸引力。它创造了一辆真正装备精良的汽车,可以在 48v 下从 0 到 60(0 英里/小时到 60 英里/小时或 0 公里/小时到 96.56 公里/小时)。凭借这项技术提供的所有优势,48v 电气系统已进入高速档也就不足为奇了。
tdk corporation 是一家领先的电子公司,总部位于日本东京。它成立于 1935 年,旨在将铁氧体商业化,铁氧体是电子和磁性产品的关键材料。tdk 的产品组合包括无源元件,如陶瓷、铝电解和薄膜电容器、铁氧体和电感器、高频产品、压电和保护元件,以及传感器和传感器系统以及电源。这些产品以 tdk、epcos、invensense、micronas、tronics 和 tdk-lambda 等产品品牌销售。tdk 的其他主要产品组包括磁性应用产品、能源设备和闪存应用设备。tdk 专注于信息和通信技术以及汽车、工业和消费电子领域的高要求市场。
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