詳解雙電池系統(tǒng)中的互連汽車48V和12V電源軌

汽車工業(yè)的電氣化正在以不斷增長(zhǎng)的速度發(fā)展，主要驅(qū)動(dòng)力來自于政府頒布的關(guān)于二氧化碳(CO2)的減排標(biāo)準(zhǔn)。歐盟制定的目標(biāo)是到2020年新車排放量?jī)H有95g/km。中國(guó)等其它國(guó)家也正在制定類似的法規(guī)。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商正在開發(fā)輕型混合動(dòng)力電動(dòng)車輛，使用次級(jí)高壓電池以及標(biāo)準(zhǔn)12V汽車電池。

德國(guó)汽車制造商已開始定義并構(gòu)建基于48V電池的系統(tǒng)。在比傳統(tǒng)12V電池更低的電流下，48V電池可提供更多的功率，同時(shí)節(jié)省線束重量，且不會(huì)影響性能。在這種發(fā)展過程中，LV148標(biāo)準(zhǔn)已成為雙電池汽車系統(tǒng)的主要出發(fā)點(diǎn)。雙電池系統(tǒng)的頂層框圖如圖1所示。

圖1：雙電池汽車系統(tǒng)的框圖

建議的系統(tǒng)存在哪些挑戰(zhàn)?如何克服障礙?許多OEM系統(tǒng)要求聲明，能量必須可以從48V軌道傳輸到12V軌道，反之亦然。若電池放電，則需要雙向電力傳輸來為電池充電，并且在過載條件下為相反的電壓軌提供額外電力。為了在不損壞電池的情況下對(duì)電池充電，控制器必須能夠非常精確地控制充電電流。在大多數(shù)汽車應(yīng)用中，功率傳輸的最大值不低，通常處于2kW至3kW的范圍內(nèi)。兩個(gè)軌道上的電壓變化可能很大。根據(jù)LV 148規(guī)范，48V電源軌通常處于36V和52V之間，而12V電源軌可處在6V至16V的范圍內(nèi)。保護(hù)電路還必須存在，用于可能損壞系統(tǒng)的任何故障條件。憑借這些要求，很明顯，橋接48V和12V電壓軌所需的DC / DC轉(zhuǎn)換器并非一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

能意識(shí)48V電源軌和12V電源軌的電壓范圍不會(huì)重疊那么設(shè)計(jì)復(fù)雜性就大大降低了。對(duì)于從48V電源軌到12V電源軌的電源傳輸，可以使用降壓轉(zhuǎn)換器，而使用升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)12V至48V電源軌方向的電源傳輸。由于千瓦級(jí)功率要求，每個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)使用同步MOSFET代替續(xù)流二極管，以提高系統(tǒng)效率。

降壓和升壓拓?fù)湓陔娏﹄娮又惺潜娝苤?，但是設(shè)計(jì)兩個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器將占用寶貴的電路板空間，并增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。仔細(xì)觀察這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的功率鏈非常相似。兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由至少兩個(gè)功率MOSFET、一個(gè)電感器和一定量的輸出電容組成。拓?fù)渲g的區(qū)別是控制器。在降壓拓?fù)渲?，受控開關(guān)是高側(cè)MOSFET;而在升壓拓?fù)渲校堑蛡?cè)MOSFET。通過簡(jiǎn)單地改變受控開關(guān)，假設(shè)您選擇了正確的控制器，可在使用相同的動(dòng)力傳動(dòng)系部件的同時(shí)改變電感器中的電流流動(dòng)方向。圖2所示為從兩個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案到單個(gè)轉(zhuǎn)換器解決方案的演變過程。

圖2：?jiǎn)慰刂破麟p向轉(zhuǎn)換器的演變過程

雖然同步開關(guān)對(duì)于高電流設(shè)計(jì)很有必要，但它并非對(duì)所有障礙物有效。在2kW的功率下，12V電源軌將導(dǎo)通約166A?？焖俨榭催@些內(nèi)容，您會(huì)發(fā)現(xiàn)，您將需要多相操作來在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)。通過使用多相架構(gòu)，可以減少組件的物理尺寸，并使熱管理變得更加容易。為了更容易地并聯(lián)每個(gè)電源相位，降壓或升壓模式操作中的控制方案應(yīng)該是電流模式控制。多相操作還允許每個(gè)相位的交錯(cuò)切換。在每個(gè)時(shí)間不切換每個(gè)相位可減少輸出紋波，這又有助于減少電磁干擾(EMI)。

在所有系統(tǒng)中，您必須設(shè)計(jì)用于操作員安全的保護(hù)電路。常見的保護(hù)功能，如欠壓鎖定(UVLO)和過壓保護(hù)(OVP)，確保電池不會(huì)充電過猛或過度充電。峰值電感器電流限制有助于防止每個(gè)電源相承受過大應(yīng)力，并使電感器飽和。在雙電池汽車設(shè)置中，還需要斷路器來斷開48V和12V軌道之間的任何電連接。監(jiān)控電路還可以幫助擴(kuò)展安全功能。例如，在能量傳輸期間，監(jiān)視每個(gè)通道中的電流可以指示是否或何時(shí)發(fā)生故障狀況。

數(shù)字控制DC / DC轉(zhuǎn)換器是一種可能的解決方案，但是該方法存在幾個(gè)主要缺點(diǎn)。首先，需要大量的分立元件：每相的電流檢測(cè)放大器、功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)電路和監(jiān)控電路。每個(gè)元件將占用印刷電路板(PCB)上的寶貴空間。第二，需要高端微控制器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的電流和電壓控制環(huán)路。第三，微控制器還在保護(hù)電路中引入延遲，這可能在高功率水平下引起災(zāi)難性損壞。第四，數(shù)字控制的設(shè)計(jì)周期可以是幾年的數(shù)量級(jí)。您必須深入了解開關(guān)電源和數(shù)字控制。話雖這么講，但還有一些額外的優(yōu)點(diǎn)。從系統(tǒng)級(jí)來看，數(shù)字控制可以更加靈活，允許控制方案參數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的動(dòng)態(tài)變化。與其它子系統(tǒng)共享信息可提高總體系統(tǒng)性能。

TI的LM5170-Q1同步雙相雙向降壓/升壓控制器解決了許多這些挑戰(zhàn)。集成電流檢測(cè)放大器、高電流柵極驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)保護(hù)功能(包括集成斷路器和通道電流監(jiān)控)消除了數(shù)字解決方案中所需的許多分立元件。并行堆疊多個(gè)控制器可交付千瓦功率，同時(shí)通過LM5170-Q1專有的平均電流模式控制方案優(yōu)化電流充電電池的控制。閱讀博文“選擇雙向轉(zhuǎn)換器控制方案”，了解TI的平均電流模式控制方法與常規(guī)控制方案的對(duì)比情況如何。橋接48V電池和12V電池很復(fù)雜，但若仔細(xì)考慮各個(gè)步驟，也是有可能實(shí)現(xiàn)的。