新型IC簡化48 V/12 V雙電池汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

簡介

48 V/12 V電池系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用指日可待。過去幾年,世界上大多數(shù)主要的汽車制造商都在努力證明其系統(tǒng)的適用性。目前來看,很明顯這些系統(tǒng)有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)無人駕 駛、真正自動(dòng)駕駛的全自動(dòng)乘用車的漫長而艱苦的過程中,這是一個(gè)必要而關(guān)鍵的一步。盡管如此,這并不意味著12 V電池將退出市場;因?yàn)橐寻惭b的車輛中存在太多舊系統(tǒng),所以不可能 出現(xiàn)這種情況。也就是說自動(dòng)駕駛汽車將同時(shí)使用12 V電池和48 V電池。

這意味著車輛的內(nèi)部系統(tǒng)將使用 48 V鋰離子(Li-Ion)電池或12 V封閉式鉛酸(SLA)電池,但不能同時(shí)使用這兩種。然而,由于這兩種電池各自的化學(xué)性質(zhì),除了要為其設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的充電電路外,還必須使用一種機(jī)制,允許電荷在其之間流動(dòng)而不會(huì)對(duì)電池或車內(nèi)任何系統(tǒng)造成任何損害。除此之外,考慮到其中一種電池在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障的情況,使用兩種電池可提供冗余電源。

雖然這肯定會(huì)使車輛內(nèi)各種電氣子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化,但也存在一些優(yōu)點(diǎn)。據(jù)一些汽車制造商稱,基于48 V的電氣系統(tǒng)可使內(nèi)燃機(jī)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性提高10%至15%,從而減少二氧化碳排 放。此外,未來使用48 V/12 V雙系統(tǒng)的車輛將允許工程師集成獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行的電動(dòng)助推器技術(shù),從而可提高加速性能。此類電動(dòng)增壓器已處于開發(fā)的高級(jí)階段,并且將位于引氣系統(tǒng)和中冷冷卻器之間,使用48 V電壓軌使渦輪葉片旋轉(zhuǎn)。

全球范圍內(nèi)的燃油經(jīng)濟(jì)法規(guī)越來越嚴(yán)格,而聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)駕駛功能在新型汽車上日益普及。因此,12 V汽車電氣系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了其可用功率的極限。與此同時(shí),這些變化似乎還不夠,汽車電 子系統(tǒng)需求也顯著增長。加上相關(guān)的功率需求,這些變化創(chuàng)造了一系列全新的工程機(jī)遇。顯然,3 kW功率極限的12 V鉛酸電池汽車系統(tǒng)必須得到補(bǔ)充。

此外,還存在影響這些系統(tǒng)工作方式的新汽車標(biāo)準(zhǔn)。新提出的汽車標(biāo)準(zhǔn)(稱為LV 148)將二級(jí)48 V總線與現(xiàn)有汽車12 V系統(tǒng)合而為一。48 V電源軌包括一個(gè)集成起動(dòng)發(fā)電機(jī)(ISG)或皮帶起動(dòng)發(fā)電機(jī)、48 V鋰離子電池以及一個(gè)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器,可從48 V和12 V電池提供10 kW級(jí)的能量。該技術(shù)適用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、混合動(dòng)力汽車和輕度混合動(dòng)力汽車,可幫助汽車制造商滿足日益嚴(yán)格的二氧化碳排放目標(biāo)。

圖1. 新一代汽車將采用12 V和48 V電池供電

面向48 V/12 V電池系統(tǒng)的全新電源解決方案

此新標(biāo)準(zhǔn)要求12 V總線繼續(xù)為點(diǎn)火、照明、信息娛樂和音頻系統(tǒng)供電。而48 V總線將為主動(dòng)底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)、可調(diào)懸架、 電動(dòng)增壓器/渦輪增壓器供電,甚至還將支持制動(dòng)能量回收。

在車輛中增加一個(gè)48V供電網(wǎng)絡(luò)并非沒有重大影響。電子控制單元(ECU)將受影響,且需要將其工作范圍調(diào)至更高電壓。這就要求DC-DC轉(zhuǎn)換器制造商采用專用的IC,以實(shí)現(xiàn)這種高功率傳輸。

于是,ADI公司Power by Linear? (PbL)產(chǎn)品部門設(shè)計(jì)開發(fā)了一些DC-DC轉(zhuǎn)換器,能夠以非常高的效率實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換,從而在節(jié)能的同時(shí)最大限度地減少了散熱設(shè)計(jì)方面的問題。

顯然,這需要在12 V和48 V電池之間使用一個(gè)雙向降壓和升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器可用于為其中任何一個(gè)電池充電,并且可以讓兩個(gè)電池同時(shí)為同一個(gè)負(fù)載供電(如果系統(tǒng)要求)。 從傳統(tǒng)角度來看,這些最初的48 V/12 V雙電池DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)采用了不同的功率組件進(jìn)行降壓和升壓。

ADI的PbL產(chǎn)品部門最近推出了一款雙向DC-DC控制器 LT8228 ,它采用與降壓轉(zhuǎn)換相同的外部功率組件進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換。

LT8228(如圖2所示)是一款具有獨(dú)立補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的100 V雙向恒流或恒壓同步降壓或升壓控制器。電源的流動(dòng)方向由LT8228自動(dòng)決定,或由外部控制。輸入和輸出保護(hù)MOSFET用于防止出現(xiàn)負(fù)電壓,控制浪涌電流,并在開關(guān)MOSFET短路等故障條件下在端子之間提供隔離。在降壓模式下,V1端子的MOSFET保護(hù)可防止出現(xiàn)反向電流。在升壓模式下,相同的MOSFET通過一個(gè)可調(diào)整的計(jì)時(shí)器斷路器控制輸出浪涌電流并進(jìn)行自我保護(hù)。

此外,LT8228還具有雙向輸入和輸出限流和獨(dú)立電流監(jiān)控功能。無主、容錯(cuò)均流允許增加或刪除任何并聯(lián)的LT8228,同時(shí)確保均流精度。內(nèi)部和外部故障診斷和報(bào)告可通過故障和報(bào)告引腳獲得。LT8228采用38引腳TSSOP封裝。

LT8228是一款具有MOSFET保護(hù)功能的100V雙向峰值電流模式同步控制器。在降壓模式下,控制器由輸入電壓V1提供降壓輸出電壓V2;或者在升壓模式下,由輸入電壓V2提供升壓輸出電壓V1。 輸入和輸出電壓最高可設(shè)置為100 V。工作模式可通過DRXN引腳由外部控制,或自動(dòng)選擇。此外,LT8228可對(duì)V1和V2端子提供MOSFET保護(hù)。MOSFET可防止出現(xiàn)負(fù)電壓,在出現(xiàn)內(nèi)部或外部故障 時(shí),在輸入和輸出端口之間提供隔離保護(hù),還提供逆流保護(hù)以及浪涌電流控制。在電池備用系統(tǒng)等應(yīng)用中,雙向功能允許使用高電壓或低電壓電源為電池充電。當(dāng)電源不可用時(shí),電池可提供經(jīng)過升壓或降壓處理的電源。

為優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng),LT8228采用兩個(gè)誤差放大器:升壓模式下的EA1和降壓模式下的EA2,分別帶有獨(dú)立的補(bǔ)償引腳VC1和VC2。當(dāng)在輕載運(yùn)行等條件下檢測到反向電感電流時(shí),控制器在斷續(xù)導(dǎo)通模式下工作。LT8228在降壓和升壓模式下使用以下四個(gè)引腳進(jìn)行輸入和輸出限流編程:ISET1P、ISET1N、ISET2P和ISET2N。此外,控制器利用IMON1和IMON2引腳提供獨(dú)立的輸入和輸出電流監(jiān)控。在整個(gè)輸入和輸出電壓范圍(0 V至100 V)內(nèi),限流編程和監(jiān)控功能均有效。

此外,LT8228可提供無主、容錯(cuò)輸出均流,可用于多個(gè)并聯(lián)LT8228,從而實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)載電流,更好的散熱管理和冗余性。每個(gè)LT8228均可調(diào)節(jié)至平均輸出電流,無需使用主控制器。當(dāng)禁 用單個(gè)LT8228或在故障條件下,它會(huì)停止向平均總線輸出電流,從而使均流方案具有容錯(cuò)能力。

其他特性包括:

●   反饋電壓容差:±0.5%(全溫度范圍內(nèi))

●   雙向可編程電流調(diào)節(jié)與監(jiān)控

●   擴(kuò)展的自測、診斷和故障報(bào)告

●   可編程固定或同步開關(guān)頻率:80 kHz至600kHz

●   可編程軟啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)限流

●   無主、容錯(cuò)均流

圖2. 簡化的雙向電池備用系統(tǒng)配置中的LT8228

結(jié)論

LT8228通過使用相同的外部功率組件進(jìn)行降壓和升壓,可提高48V/12 V雙電池DC-DC汽車系統(tǒng)的性能、控制功能并簡化設(shè)計(jì)。它可根據(jù)需要在48 V總線至12 V總線降壓模式或12 V至48 V升壓模式下工作。啟動(dòng)汽車或需要額外電源時(shí),LT8228允許兩個(gè)電池同時(shí)向同一負(fù)載供電。功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)人員利用這個(gè)功能多樣的雙向轉(zhuǎn)換器,可以輕松地配置未來全自動(dòng)駕駛汽車所需的12V和48 V電池系統(tǒng)。

作者

Tony Armstrong

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部的產(chǎn)品營銷總監(jiān)。他負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務(wù)。加入ADI之前,Tony在凌力爾特、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔(dān)任過營銷、銷售和運(yùn)營方面的不同職位。他擁有英國曼徹斯特大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)(榮譽(yù))學(xué)士學(xué)位。Tony于2020年春季退休。