“CASE”(Connected、Autonomous、Shared & Services、Electric)已經(jīng)成為一種新型汽車或移動設(shè)備的流行語。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力車，以及伴隨輕度混合動力車的出現(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力車

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

通過48V系統(tǒng)提高輕度混合動力的效率

輕度混合動力車的大致構(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)；

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

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

圖1.48V系統(tǒng)輕度混合動力車的大致構(gòu)成

其中一點是新增的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。
而在輕度混合動力車中，在加速時驅(qū)動馬達(dá)的電力和在減速時將馬達(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)本來就不適合輕度混合動力車這個問題。此外，動力轉(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)計適合于輕度混合動力車的電壓系統(tǒng)而提出了48V系統(tǒng)的方案。
如果將電壓增大4倍，則供給相同電力時的電流只要1/4即可，線束上的損耗減小，無需使用粗重的線束。此外，48V作為電壓并不算高，所以易于構(gòu)成一個包括安全對策在內(nèi)的電路。

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

汽車加速時和減速時輕度混合動力車的動作

汽車加速時和減速時輕度混合動力車的大致動作如下所示。

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

減速時
將馬達(dá)用作交流發(fā)電機(jī)，在二次電池中存儲能量。同時，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方式。(圖3)

構(gòu)成輕度混合動力車的馬達(dá)不只是輔助加速，而且在減速時也起到發(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，集成起動發(fā)電機(jī))，因為它經(jīng)常兼作起動馬達(dá)的功能。
二次電池的作用是在短時間內(nèi)將馬達(dá)減速時產(chǎn)生的電力儲存起來，并在馬達(dá)加速時瞬間提供馬達(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)混合動力車那樣大的容量。

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

從電子產(chǎn)品的角度來看，輕度混合動力車的一個獨特組件是雙向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。
＜12V→48V升壓動作＞ 在用12V鉛酸蓄電池驅(qū)動48V系統(tǒng)的輔助設(shè)備時，或二次電池充電水平不足以輔助動作，在從12V系統(tǒng)的鉛酸蓄電池給二次電池充電時，進(jìn)行升壓動作。
＜48V→12V降壓動作＞ 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鉛酸蓄電池充電時進(jìn)行降壓動作。

圖4列出了最簡單的雙向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(3)～開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計步驟～” 和 “電源電路的基礎(chǔ)知識(4)～面向ECU的電源電路設(shè)計要點～”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)的同時精細(xì)控制從12V系統(tǒng)向48V系統(tǒng)的升壓動作和從48V系統(tǒng)向12V系統(tǒng)的降壓動作；功率容量大到數(shù)kW至10kW以上；除非由于大容量實現(xiàn)極高的效率否則會面臨發(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)字信號處理器)等數(shù)字電路進(jìn)行開關(guān)動作控制，即安裝所謂的數(shù)字電源已成為主流。
在設(shè)計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，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汽車等上的蓄電池和外圍電路。

圖2.輕度混合動力車加速時的動作示例

審核編輯 黃宇