2016 十月

汽车电子

精良的48V系统

车载48V技术具有一些独到的优势:有助于降低整体油耗,减少环境危害,甚至能提高发动机的性能。该技术的核心元件是一个强大的降压式 (buck-boost) 转换器,而TDK集团为该转换器提供关键的无源元件: ) 功率电感器和铝电解电容器。

随着复杂的动力传动管理系统、辅助电子加热等舒适系统,ABS(防抱死刹车系统)、ESP(车身电子稳定系统)等安全系统,以及诸多其它系统的日益增加,车辆的电气负载不断增加,逐渐成为耗能大户。与此同时推动了交流发电机功率水平的稳步提升。在19世纪80年代初,即使豪华车辆其交流发电机也仅输出约0.7 kW的功率。然而,目前车辆所需的功率输出已经达到3.5kW,几乎为原来的7倍。随之出现的问题是,如果14V交流发电机输出这么大的功率,则意味着发电机输出电流将高达250A。在此电压/电流比下,发电机的效率仅为70%。这就要求发动机对发电机的输入功率达到5kW。另外大电流的缺点在于它要求导体的截面积必须很大,这导致车辆重量和整体成本的显著增加。

48V系统可显著提高效率

随着人们对降低油耗和CO2排放量的要求日益提升,市场亟需找到针对性的解决方案。48V技术应运而生并带来诸多优势,因为它使众多仅通过12V系统无法解决的节能措施得以实现。其功能特性包括:

  • 功率大于5kW时,能量回收效率很高
  • 扩张的启停功能,如缓慢启动或平滑停止
  • 电气化单元,如涡轮增压器和电动助力转向系统
  • 支持微混型和轻度混合动力解决方案

48V系统并不是完全替代现有的12V架构。相反,这种方法不禁让我们能对12V系统进行拓展,以处理功率更高的负载,同时还能通过升降式转换器装置将48V系统耦合到这些系统中间。图1解释了这种架构的原理。常规的铅酸或铅酸胶体蓄电池用于12V等级,而锂离子电池则用于48V等级。双层电容器还可并联在此处,以在恢复过程中改善电能的存储状况。

 

图1:集成式12/48V板载电源的架构原理
主要改进在于将发电机的电平设置为48V等级,以实现更高的功率输出和能效等级。两种电压等级通过一个双向降压式转换器装置进行连接。

通过升降式转换器实现高效耦合

在集成的12/48V系统中,最重要的元件是升降式转换器,该转换器允许能量在两种不同的电压等级之间双向流动,并且能提供2~5kW的功率输出。图2显示了这种转换器的电路原理图。在正常模式下,该转换器作为降压转换器,将48V系统产生的功率输出到12V系统中。在此工作模式下,T2一直处于阻断状态,而T1则作为开关工作。如果需要输出48V等级电压,则必须采用升压模式。在这种情况下,T1一直处于接通状态,而T2则工作在脉冲模式下。为最大限度降低纹波电流和电压,实际运用中需要将6个或8个模块进行并联。

 

图2:降压式转换器电路图
除开关晶体管外,爱普科斯 (EPCOS) 功率电感器和储能电容器也是升降式转换器的核心元件。

TDK集团研发出两种新的爱普科斯 (EPCOS) 功率电感器系列,作为转换器储能和平滑扼流圈。例如,表面贴装 (SMD) 型ERU 27系列电感器具有高通流能力,且封装紧凑,面积仅为30mm×27.8mm(图3左侧)。其插入高度为15.5mm或20.3mm,具体高度取决于电感值。这种紧凑型设计采用了具有高填充系数的扁平绕组予以实现。电感器具有六种不同型号,电感范围涵盖3.5µH到与15µH的范围,饱和电流介入19 A与49 A之间。为了提高元件在PCB上的机械稳定性,除两个绕组焊盘外,该产品还增加了第三个焊盘。

除了此SMD产品外, 带PTH端子的爱普科斯 (EPCOS) ERU 33系列产品(图3右侧)可供选择适用其额定电感值为3.2µH~10µH,具体视不同型号而定。如为确保饱和电流为79A,电感器的电阻仅有0.85 mΩ。该系列的功率扼流圈尺寸为33mm×33mm×15mm,适用工作温度范围为-40°C至+150°C,并且符合RoHS标准,通过AEC-Q200可靠性测试。除标准的ERU 27和ERU 33型号外,我们还可根据客户的特定需求进行定制。

 

图3:紧凑型爱普科斯 (EPCOS) 功率电感器的通流能力最高可达75 A

具有高纹波电流输出能力的极限耐振电容器

除电感器外,降压式转换器的核心元件还包括用于储能和平滑处理的坚固型铝电解电容器。爱普科斯 (EPCOS) B41689和B41789系列(图4)专为满足汽车电子产品的严格要求而设计,其具备最高达60倍重力加速度的超强抗振动性能。此外,星形焊接和两端带阴极板触点的电容器型号还能优化电容器的安装,使电容器的等效串联电感 (ESL) 维持在较低的数值。

 

图4:应用于汽车电子的爱普科斯 (EPCOS) 铝电解电容器具有最高达60g的超强抗振动性能,且最高工作温度可达150°C。

由于内置多个触点,这些电容器的等效串联电阻 (ESR) 也相当之低,从而具有更高的纹波电流能力和更低的损耗。当环境温度为125 °C时,这些电容器的连续纹波电流能力可达29.5 A,具体视电容器型号而定。其中,汽车系列额定电压为25V、40V(或12V)和63V(或48V)的应用而设计。在这些电压等级下,它们能工作在具有两种不同电压等级的新型车载电源系统中。在这电容器的电容量可从360µF至4500µF。

除功率电感器和铝电解电容器等核心元件外,降压式转换器还包括一系列的其他TDK集团的元件,如多层陶瓷电容器 (MLCC)、电流互感器和压敏电阻等。

 

涡轮增压器提升发动机效率

除泵机等常规电气化单元外,48V技术还通过电子涡轮增压器提高发动机的工作效率。常规的涡轮增压器主要通过消耗燃气进行驱动,因此它们的性能与发动机的转速密切相关。此外,它们在运行中还稍有延迟,我们将其称之为“涡轮迟滞”。该缺点可通过电动充电器予以消除,特别是当它们需要在较低的发动机转速下实现快速响应时,如市区行驶,从而提高发动机的效率(如图所示)。此外它还具有以下优势:电子涡轮增压器能与常规涡轮增压器相结合,进一步提高充电电压,或在发动机转速达到很高时关闭电动充电器。

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