總成架構(gòu)的演變——失敗的42V電池總成與成功的48V電源總線

　　搞要：本文回顧并討論10年前42V汽車(chē)電源總成系統(tǒng)失敗方案。如今，一種48V電源總線正在應(yīng)用于現(xiàn)代汽車(chē)之中，促使汽車(chē)電子在半導(dǎo)體和系統(tǒng)總成等方面升級(jí)。過(guò)去10年都有什么樣的變化呢?為什么48V是邁向高燃油效率、低輻射汽車(chē)的重要步驟?本文將深入透析這一汽車(chē)行業(yè)標(biāo)志性變更的推動(dòng)力，并且對(duì)于即將推出的產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案提出一些見(jiàn)解，以支持更高電壓的電源總線。

　　需要42V的原因

　　10年前，曾傳出一個(gè)讓人震撼的消息：將推出適于載客汽車(chē)的新型電源總線架構(gòu)。它建議通過(guò)三組12V電池組串聯(lián)得到36V，取代現(xiàn)有的12V電池，使14V電源總線電壓提高到42V。這意味著重新建立42V電源及電子總成架構(gòu)。二十世紀(jì)九十年代末，發(fā)展42V架構(gòu)的源動(dòng)力在于現(xiàn)代汽車(chē)界于未來(lái)的需要的預(yù)測(cè)，以及對(duì)于更大電力驅(qū)動(dòng)的要求。兩個(gè)關(guān)鍵因素被認(rèn)為推動(dòng)了這種功率增長(zhǎng)需要。

　　第一個(gè)原因就是車(chē)輛內(nèi)可用的奢侈和舒適系統(tǒng)需求的增長(zhǎng)。我們不僅要提高強(qiáng)大的娛樂(lè)和信息系統(tǒng)，還有那些需采用更大功率的舒適功能，如電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主動(dòng)式懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、強(qiáng)大的取暖元件，包括適用于寒冬的前窗除霜系統(tǒng)，或者適用于溫度不斷提高的夏季的強(qiáng)大空調(diào)系統(tǒng)。而且，我們還不能忽略大型的多種類(lèi)駕駛輔助系統(tǒng)，長(zhǎng)距或短距雷達(dá);超聲感應(yīng)或相機(jī)系統(tǒng)，這些都計(jì)劃用于提高汽車(chē)的主動(dòng)及被動(dòng)的安全性。

　　第二個(gè)重要的提高功率原因，來(lái)自于皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)被DC-AC電驅(qū)系統(tǒng)取代，如泵、風(fēng)扇、空調(diào)壓縮機(jī)、液壓及助力轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于內(nèi)燃引擎的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。“逆變器”及外圍控制系統(tǒng)的明顯優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)速可控。獨(dú)立于內(nèi)燃機(jī)的速度，它可最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)，甚至可以根據(jù)需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)。一個(gè)很好、很明顯的示例便是汽車(chē)中眾所周知的制冷水泵。當(dāng)汽車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，水泵提供了極高的制冷功率，此時(shí)，高速的水流降低引擎溫度。但實(shí)際上，在許多情況下，甚至可能不會(huì)用到水泵。另一方面，塞車(chē)時(shí)，當(dāng)汽車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)，引擎在熱天中空轉(zhuǎn)時(shí)，水泵的運(yùn)行非常慢，很難在沒(méi)有空調(diào)氣流的狀態(tài)下提供足夠的制冷。此時(shí)正是你希望提高水泵的制冷功率的時(shí)候，內(nèi)燃機(jī)中搭載的逆變驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)控制水泵的轉(zhuǎn)速得到所需的制冷量，很容易的解決這一問(wèn)題。

　　類(lèi)似皮帶水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還有大量其它機(jī)械驅(qū)動(dòng)泵、風(fēng)扇和壓縮機(jī)等應(yīng)用，能通過(guò)采用電驅(qū)變速電機(jī)取得更高效智能的驅(qū)動(dòng)。相應(yīng)的，汽車(chē)的油耗就可降低而提高排放標(biāo)準(zhǔn)。但遺憾的時(shí)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)取代多個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)極大的提高交流電機(jī)所需要提供的電能功率。

　　綜上所述，上面所述提升計(jì)劃表示出一輛汽車(chē)的平均功耗將很快上升且超過(guò)傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)3kW限制限度?？磥?lái)，考慮到所有這些功耗，最先進(jìn)的交流發(fā)電機(jī)都會(huì)非常接近其極限值，特別是在惡劣的條件下，在考慮到所有的系統(tǒng)都同時(shí)消耗能量時(shí)更是如此。最終OEM和Tier1系統(tǒng)供應(yīng)商開(kāi)始期望汽車(chē)可以供應(yīng)更高的電能功率。更高功率也就意味著需要更高的電流和電壓。正如從簡(jiǎn)單的歐姆定律中可以獲知的，如果我們把電壓保持在14V而僅提高電流的話，線纜和開(kāi)關(guān)中的功耗隨殘余電阻Rcable，switch與電流I2成比例增長(zhǎng)：

　　P_loss=I²● R_{cable, switch,…}

　　所以為了使汽車(chē)的效率更高，同時(shí)增加娛樂(lè)性、安全性和舒適功能并實(shí)現(xiàn)更高調(diào)速，與提高電流等級(jí)相比，提高變速電機(jī)電壓則是實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)的更好辦法。實(shí)際上，通過(guò)降低更高電壓下的電流要求，甚至還可以降低導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗，采用更少的厚銅線纜還意味著汽車(chē)的重量更小，所以，總體而言達(dá)到了技術(shù)上的雙贏效果。因此，那時(shí)所提倡的邏輯概念是將板網(wǎng)電壓從14V提升至42V，而不是在12V的電源總線上運(yùn)行2-3倍高的電流。

　　商業(yè)上的挑戰(zhàn)

　　可是，單純從技術(shù)工程的角度講，這絕對(duì)是非常完美的，但卻遇到了商業(yè)問(wèn)題。用42V的架構(gòu)取代14V架構(gòu)就表示汽車(chē)中幾乎所有電子元件和系統(tǒng)都要革命性地改變到目前的標(biāo)準(zhǔn)。從功率半導(dǎo)體和開(kāi)關(guān)到IC，從有源元件到傳感器，甚至燈泡都需要重新設(shè)計(jì)并調(diào)節(jié)到更高的電壓水平。那時(shí)的汽車(chē)還100%的依賴(lài)12V/14V元件，而且EMI、噪聲等級(jí)、過(guò)壓條件和通過(guò)隔離進(jìn)行的用戶(hù)保護(hù)等都依賴(lài)于安全且調(diào)制良好的14V架構(gòu)，電壓峰值都控制在40V最大值以下。

　　然而，OEM和汽車(chē)供應(yīng)商進(jìn)行了前所未有的協(xié)作努力，新型42V元件、系統(tǒng)和架構(gòu)解決方案的開(kāi)發(fā)得到啟動(dòng)并且有了長(zhǎng)足發(fā)展，但大家很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)42V的取代不可能是無(wú)成本的。實(shí)際上，可以看到其價(jià)格非常昂貴、耗時(shí)并且需要更多的資源，才以構(gòu)建和重新認(rèn)證42V汽車(chē)的架構(gòu)。終端用戶(hù)會(huì)愿意支付這樣的價(jià)格嗎?

　　很顯然市場(chǎng)和終端客戶(hù)承受42V汽車(chē)上的加價(jià)是很有限的。用42V電壓取代14V電壓，沒(méi)有太多明顯的用戶(hù)價(jià)值。所有的舒適功能都必須以任何一種“附加”或“選項(xiàng)”的形式進(jìn)行支付。但是，最為增加成本的42V系統(tǒng)。無(wú)論是14V還是42V的電子系統(tǒng)，對(duì)汽車(chē)用戶(hù)而言看不到任何區(qū)別。較大馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)或更高的動(dòng)力系轉(zhuǎn)矩都可能會(huì)帶來(lái)駕駛體驗(yàn)的顯著提升，與之不同，整體而言，提升的總成電壓并不能提供任何顯著、直接、“能感覺(jué)到”的超級(jí)駕駛感受。因此，42V產(chǎn)品沒(méi)有顯而易見(jiàn)的終端用戶(hù)值，可以作為營(yíng)銷(xiāo)點(diǎn)或用作良好的附加值賣(mài)點(diǎn)。這個(gè)問(wèn)題的根本仍然是最初的預(yù)期節(jié)能的正向“業(yè)務(wù)案例”和42V總成提升效率不能為終端客戶(hù)提高具體投資回報(bào)。遺憾的是，42V的概念未能提供一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)值。而現(xiàn)在的混合動(dòng)力解決方案不同，通過(guò)對(duì)交流電機(jī)再生的總成能量被良好利用，42V油耗僅實(shí)現(xiàn)了很少的、個(gè)位數(shù)的提升，因此，僅輕微降低了內(nèi)燃機(jī)的能耗。然而，通過(guò)采用變速電機(jī)，有時(shí)單獨(dú)的系統(tǒng)看起來(lái)效率更高，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情況下和實(shí)際駕駛條件下，總的整體的提升比理論上所期望的降低很多。由14V至42V總線架構(gòu)變更所帶來(lái)的提升未能引發(fā)“大的革命性進(jìn)步。”

　　因此，最終OEM又開(kāi)始放棄42V的理念?？磥?lái)，想要重新認(rèn)證并將42V汽車(chē)引入市場(chǎng)將非常困難并且價(jià)格高昂，因?yàn)槭袌?chǎng)并不愿意為這些提升的成本買(mǎi)單。當(dāng)工程師們絞盡腦汁，在實(shí)際上提升交換電機(jī)的效率和輸出功率方面再一次超出所設(shè)立的限度時(shí)，42V概念最終宣布終結(jié)。同時(shí)，像MOSFET這樣的電源管理器件在性能方面也取得了相當(dāng)大的提升。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)變得更加高效(見(jiàn)圖1和圖2)，特別是隨著首款Trench MOSFET的推出，它可以實(shí)現(xiàn)更高的電流應(yīng)用，可以在可接受的功耗水平、甚至在14V總成下良好運(yùn)行。