數(shù)字電源管理在汽車中的應用

　　摘要：通過面向計算應用的DC/DC多相轉換器相關的技術和專業(yè)知識介紹，推廣新型汽車用多相產(chǎn)品，包括功率部分和數(shù)字控制器以處理系統(tǒng)的相位及其監(jiān)控功能。

　　汽車行業(yè)的終極目標是普及純電動汽車，這樣只需一組電池即可實現(xiàn)包括牽引在內的所有板上功能，而我們距離這個目標還非常遙遠。電池的儲能密度(單位：千瓦時/千克)仍然不足以支持汽車正常的日常使用，電池續(xù)航能力還很有限而且成本過高。

　　然而，近十年來不斷飆升的燃油成本和降低汽車尾氣排放量的環(huán)保要求推動了啟/停系統(tǒng)在所有新車中的應用，以及市面上首個油電混合動力汽車系列的推出。標準內燃機汽車和全EV(電動汽車)之間的折中解決方案就是該行業(yè)下一階段技術升級的重點。啟/停功能現(xiàn)已被世界某些地區(qū)(以歐洲為主)的很多汽車制造商廣泛采用，下一步就是推出兩種引擎(內燃機和電動機)共存的油電混合動力汽車。

　　如今有多個HEV種類及其充當EV的等級。汽車內主要應用轉向48V電池的新趨勢向汽車制造商提出了新挑戰(zhàn) - 48V電源線上12V設備的兼容性和用于管理48V與12V電池間能量流的中/大功率DC/DC雙向轉換器。該轉換器必須在300W至3kW-5kW的功率水平下處理雙向能量流，而這是無法用簡單的單相拓撲進行管理的，因此汽車制造商面臨全新挑戰(zhàn)，即開發(fā)采用多相配置的大功率升/降壓轉換器。

　　首先引入了“微油電混合動力汽車(mHEV)”這個概念，于是48V電網(wǎng)理念隨之而來。mHEV的理念就是利用48V鋰離子電池儲存再生制動產(chǎn)生的能量，后者將汽車的動能轉變成電能來為電池充電，然后用它為同一條48V線路上的所有設備供電或者向下變?yōu)?2V線路，最終提高了汽車效率和燃油續(xù)航力。

　　mHEV的上一個智能版本最近被稱為i-mHEV，區(qū)別在于ICE(內燃機)關閉時利用48V電動機實現(xiàn)汽車的短程運動或維持巡航速度。當汽車行駛在擁擠的城市街道或者平坦的機動車道(這是電動機最常見的使用環(huán)境)上時，這極大地降低了油耗。

　　中壓DC/DC轉換器

　　由于板上有2組電池，所以就不可避免地存在著需要均衡能量和將能量從一組電池轉移到另一組上的情況。實現(xiàn)這種功能的關鍵就在于48V-12V DC/DC轉換器：所有仍采用12V電壓的服務，例如某些汽車的汽車收音機、信息娛樂、泵、制動器和EPS，使用這種必須利用鋰電池不斷為其充電的電池。根據(jù)被轉移到12V網(wǎng)絡上的服務數(shù)量的不同，可能需要在幾百瓦至1.5kW或更高的功率水平下進行降壓操作。

　　另一方面，我們可能需要在升壓模式下將某些能量從12V電池轉回到48V網(wǎng)絡上，以便在緊急情況下實現(xiàn)最小供電。

　　上一種情況仍不明朗，也未在不同制造商之間實現(xiàn)標準化。這種反向能量在某些情況下要求達到幾百瓦，而在其它情況下則要求達到與主降壓轉換器相同的功率水平，有時只需要有限的時間，而有時則只要12V電池能夠繼續(xù)工作就沒有時間限制。

　　主能量流操作可以高達幾千瓦，因此無法利用簡單的轉換器解決方案進行管理，對此我們已經(jīng)達成了廣泛共識。

　　市場上確實存在著面向這種大功率轉換模塊的解決方案，并且大約10年前就已經(jīng)開發(fā)出來了，盡管環(huán)境和電壓水平不同。

　　在2kW的功率下，電流輸出約為160A，可以利用單相解決方案實現(xiàn)，如圖1所示，這樣控制器就更簡單，但是需要許多驅動器來控制并聯(lián)的多個FET，開關頻率通常較低并且被開關損耗限制在100kHz-200kHz的范圍內，這就意味著輸入和輸出電容的尺寸非常大。