數(shù)字電源管理在汽車中的應(yīng)用

　　摘要：通過面向計(jì)算應(yīng)用的DC/DC多相轉(zhuǎn)換器相關(guān)的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)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(biāo)是普及純電動(dòng)汽車，這樣只需一組電池即可實(shí)現(xiàn)包括牽引在內(nèi)的所有板上功能，而我們距離這個(gè)目標(biāo)還非常遙遠(yuǎn)。電池的儲(chǔ)能密度(單位：千瓦時(shí)/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(dòng)了啟/停系統(tǒng)在所有新車中的應(yīng)用，以及市面上首個(gè)油電混合動(dòng)力汽車系列的推出。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)汽車和全EV(電動(dòng)汽車)之間的折中解決方案就是該行業(yè)下一階段技術(shù)升級(jí)的重點(diǎn)。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(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī))共存的油電混合動(dòng)力汽車。

　　如今有多個(gè)HEV種類及其充當(dāng)EV的等級(jí)。汽車內(nèi)主要應(yīng)用轉(zhuǎn)向48V電池的新趨勢(shì)向汽車制造商提出了新挑戰(zhàn) - 48V電源線上12V設(shè)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(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)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?fù)溥M(jìn)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(zhuǎn)換器。

　　首先引入了“微油電混合動(dòng)力汽車(mHEV)”這個(gè)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(chǔ)存再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量，后者將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)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(shè)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(gè)智能版本最近被稱為i-mHEV，區(qū)別在于ICE(內(nèi)燃機(jī))關(guān)閉時(shí)利用48V電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)汽車的短程運(yùn)動(dòng)或維持巡航速度。當(dāng)汽車行駛在擁擠的城市街道或者平坦的機(jī)動(dòng)車道(這是電動(dòng)機(jī)最常見的使用環(huán)境)上時(shí)，這極大地降低了油耗。

　　中壓DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到另一組上的情況。實(shí)現(xiàn)這種功能的關(guān)鍵就在于48V-12V DC/DC轉(zhuǎn)換器：所有仍采用12V電壓的服務(wù)，例如某些汽車的汽車收音機(jī)、信息娛樂、泵、制動(dòng)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(zhuǎn)移到12V網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)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(jìn)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(zhuǎn)回到48V網(wǎng)絡(luò)上，以便在緊急情況下實(shí)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。這種反向能量在某些情況下要求達(dá)到幾百瓦，而在其它情況下則要求達(dá)到與主降壓轉(zhuǎn)換器相同的功率水平，有時(shí)只需要有限的時(shí)間，而有時(shí)則只要12V電池能夠繼續(xù)工作就沒有時(shí)間限制。

　　主能量流操作可以高達(dá)幾千瓦，因此無法利用簡單的轉(zhuǎn)換器解決方案進(jìn)行管理，對(duì)此我們已經(jīng)達(dá)成了廣泛共識(shí)。

　　市場(chǎng)上確實(shí)存在著面向這種大功率轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)，如圖1所示，這樣控制器就更簡單，但是需要許多驅(qū)動(dòng)器來控制并聯(lián)的多個(gè)FET，開關(guān)頻率通常較低并且被開關(guān)損耗限制在100kHz-200kHz的范圍內(nèi)，這就意味著輸入和輸出電容的尺寸非常大。