【導讀】自從1898年汽車(chē)首次采用電氣照明以來(lái)，市場(chǎng)對于汽車(chē)電氣特性和功能的需求日益增長(cháng)。隨著(zhù)12V系統的局限性逐漸凸顯，汽車(chē)行業(yè)正逐步轉向48V系統。這一轉變不僅是為了提供更大的電力容量，縮小電線(xiàn)和連接器的尺寸，也是為了支持更多先進(jìn)的電氣功能，并有效降低能耗。
自從1898年汽車(chē)首次采用電氣照明以來(lái)，市場(chǎng)對于汽車(chē)電氣特性和功能的需求日益增長(cháng)。隨著(zhù)12V系統的局限性逐漸凸顯，汽車(chē)行業(yè)正逐步轉向48V系統。這一轉變不僅是為了提供更大的電力容量，縮小電線(xiàn)和連接器的尺寸，也是為了支持更多先進(jìn)的電氣功能，并有效降低能耗。
在當前的輕度混合動(dòng)力汽車(chē)（MHEV）中，通常會(huì )配備兩塊電池：一塊48V電池和一塊傳統12V電池。其中，48V-12V DC-DC轉換器起到了關(guān)鍵作用，它將這兩塊電池連接起來(lái)，確保電力系統的高效運行。48V電池主要用于支持車(chē)輛的高性能需求和節能特性，而12V電池則繼續負責為諸如信息娛樂(lè )系統、發(fā)動(dòng)機控制系統和安全模塊等較低功率的設備供電。這種設計既保證了系統的兼容性，又促進(jìn)了新技術(shù)的應用和發(fā)展。
本文為“48V-12V DC-DC 轉換器”系統解決方案指南的第一部分，將介紹系統目標、市場(chǎng)信息及展望、系統描述。
系統目標
48V 過(guò)去主要應用于內燃機領(lǐng)域， 可實(shí)現 MHEV 的啟停功能以及其他減排技術(shù)， 包括電動(dòng)渦輪增壓器、 廢氣再循環(huán)(EGR) 泵和電加熱催化器。
MHEV 在提升燃油效率和減少排放的同時(shí)， 仍能保持人們熟悉的駕駛體驗。通過(guò)結合內燃機（ICE） 與電動(dòng)機的動(dòng)力，MHEV 為實(shí)現全面電動(dòng)化提供了一種切實(shí)可行的過(guò)渡方案。
與高壓 (HV) 系統相比，48V 系統的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是底盤(pán)接地。48V 系統保留了傳統 12V 系統的簡(jiǎn)單性、 節省成本和屏蔽優(yōu)勢， 同時(shí)將負載電流降低了 4 倍。與 12V 系統相比， 由于電壓裕量增加， 48V 系統能夠保持更高的功率質(zhì)量。
48V 系統同樣也是先進(jìn)駕駛輔助系統（ADAS） 和更高級別自動(dòng)駕駛功能的推動(dòng)因素。電動(dòng)助力轉向、 線(xiàn)控轉向和線(xiàn)控制動(dòng)（X-by-Wire） 是功率消耗較大的配件， 線(xiàn)控制動(dòng)系統同時(shí)也需要極高的可靠性和功能安全性， 并且具備冗余設計。
對于像線(xiàn)控轉向這類(lèi)峰值負載較高的裝置來(lái)說(shuō)， 在 48V 系統中實(shí)現冗余驅動(dòng)相較于 12V 系統能夠使裝置更加輕量化，并且更經(jīng)濟。
市場(chǎng)信息及展望
最近， 48V 配件開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)， 應用于純電動(dòng)汽車(chē)（Battery Electric Vehicle, BEV） 中， 用于替代現有車(chē)輛負載， 包括制冷、 座艙風(fēng)扇以及其它不適合采用高壓（High Voltage, HV） 的高功率配件。
隨著(zhù) 48V 系統的普及， 車(chē)輛將混合使用 12V、 48V 和 高壓（400V/800V， HV） 電源網(wǎng)絡(luò )。48V 電源系統實(shí)用性逐步提高， 傳統 12V 配件將從系統中最高的負載開(kāi)始， 逐步遷移到 48V 總線(xiàn)上。傳統的 12V 負載將繼續由DC-DC轉換器提供電力， 這些 DC-DC 轉換器可以從高壓總線(xiàn)或 48V 電池供電；隨著(zhù)負載向 48V 遷移， 48V 系統將成為主流， 12V DC-DC轉換器的尺寸也將隨著(zhù)時(shí)間逐步減小。
48V 輕度混合動(dòng)力汽車(chē)的實(shí)施門(mén)檻相對較低， 汽車(chē)制造商可以利用現有的汽車(chē)平臺進(jìn)行改造， 在其新車(chē)型中將 48V 輕混系統作為標準配置推出市場(chǎng)， 從而滿(mǎn)足全球用戶(hù)的大量需求。MHEV 憑借具有成本效益的電動(dòng)解決方案， 成為極具吸引力的用戶(hù)選項。
全球 MHEV 市場(chǎng)一直在穩步增長(cháng)， 盡管其增長(cháng)速度不及純電動(dòng)汽車(chē)（BEV） 和插電混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV） 市場(chǎng)。這一趨勢表明， 消費者開(kāi)始傾向于使用電網(wǎng)充電的汽車(chē)。盡管如此， MHEV 因其成本較低， 無(wú)需充電基礎設施且使用方便，仍然在全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)中占有相當大的份額。
2021 年全球 MHEV 市場(chǎng)價(jià)值為 711.9 億美元， 預計到 2030 年將達到 3332.7 億美元， 2021 年至 2030 年的復合年增長(cháng)率 (CAGR) 為 18.5%。2023 年的市場(chǎng)價(jià)值預計將達到 1,003.5 億美元。
亞太地區因車(chē)輛銷(xiāo)量最高， 尤其是中國， 占據了最大的市場(chǎng)份額。預計至 2030 年， 該地區將以更快的速度增長(cháng)。許多汽車(chē)廠(chǎng)商繼續在亞太市場(chǎng)投資， 以滿(mǎn)足對混合動(dòng)力汽車(chē)的強勁需求。
來(lái)源：EV-Volumes：2022 年全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量， Mordor Intelligence：油電混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)規模和份額分析，Coherent Market Insights：油電混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)分析
系統描述
DC-DC 轉換器
MHEV 48 V 系統的主要電子單元包括一個(gè)三相逆變器， 用于操作啟動(dòng)機/發(fā)電機， 為 48 V 電池充電；以及 DC-DC 轉換器， 用于將 12 V 和 48 V 電源網(wǎng)絡(luò )結合在一起。
DC-DC 轉換器可設計為單向或雙向， 其中單向功能（降壓） 是必須的。本《系統解決方案指南》 假定雙向轉換器為設計目標。功率級別從 1 kW 到 3 kW 不等， 降壓模式通常為 3 kW， 而升壓模式通常僅為 1 kW。
非隔離雙向同步升降壓是最常見(jiàn)的拓撲結構。雙有源橋、CLLC 等隔離拓撲也是可行的， 但由于設計復雜性和較低的電壓電平要求而未被廣泛采用。隔離拓撲結構在高壓到低壓轉換中非常普遍， 在這種情況下， 必須隔離電路中的高壓和低壓部分。
DC-DC 轉換器專(zhuān)為 12V 和 48V 標稱(chēng)電池電壓而設計， 但必須能夠在標稱(chēng)電壓之外運行， 因為電壓電平會(huì )因電池充電狀態(tài)和其他因素而變化， 需要為高于或低于標稱(chēng)電壓的工作電壓留出空間。
為了達到最佳性能， 48V 電池需要低串聯(lián)電阻和平緩的放電曲線(xiàn)。電池電壓不應隨電池充電電量發(fā)生大幅變化。適合的技術(shù)有鋰離子電池（ Li-Ion） 或鋰聚合物電池（ LiPol） 。
傳統的 12V 鉛酸電池（Pb） 也因其在低溫下性能更佳、 自放電更低以及總體容量成本比等電氣優(yōu)勢而被保留在MHEV中。
ISO 21780:2020 規定的48V 系統電壓電平標準
MHEV 中的啟動(dòng)-發(fā)電機
現在， 啟動(dòng)機和發(fā)電機被集成到一個(gè)器件中， 即集成式啟動(dòng)發(fā)電機（ISG） 或皮帶式啟動(dòng)發(fā)電機（BSG） 。BSG/ISG 裝置可實(shí)現啟停功能、 滑行或制動(dòng)時(shí)的能量回收、 內燃機運行時(shí)產(chǎn)生電能， 還可根據系統情況實(shí)現電力驅動(dòng)或增壓。
在能量回收或發(fā)電模式下， BSG/ISG 可作為發(fā)電機運行， 給 48V 電池組充電。BSG/ISG 的主要區別在于其物理位置、 與發(fā)動(dòng)機的連接以及在車(chē)輛內的集成。這些位置標記為 P0 至 P4。不同的啟動(dòng)發(fā)電機集成方案（P0 - P4） 都為系統提供了不同程度的能力和設計挑戰。
BSG 通常在發(fā)動(dòng)機外部安裝， 并通過(guò)皮帶驅動(dòng)系統連接（P0） ， 適合對現有車(chē)輛進(jìn)行改裝。然而， 與 ISG 相比， 其效率較低。
ISG 結構緊湊， 與發(fā)動(dòng)機和傳動(dòng)系統的集成更緊密（P1-P4） ， 從而提供更快的響應時(shí)間和更高的效率。
DC-DC 轉換器中的 MCU 和感知系統
MCU 充當控制 DC-DC 轉換器的大腦， 負責進(jìn)行必要的動(dòng)態(tài)調整， 以實(shí)現最佳和高效的功率傳輸。它持續監控和處理傳感器輸入， 其中最重要的是電壓、 電流和溫度。
DC-DC 轉換器的輸入和輸出電壓取決于電池及其充電狀態(tài)。在此應用中， 因為電壓由電池施加， MCU 對輸入和輸出電壓進(jìn)行監控， 而不是調節。無(wú)論電池電壓如何變化， DC-DC 轉換器都必須能夠在當前工作范圍內傳輸功率。
MCU 可根據電流和電壓反饋動(dòng)態(tài)調整 PWM 占空比和開(kāi)關(guān)頻率。這對于保持穩定的輸出電壓、 補償功率傳輸變化、減少損耗和確保最佳轉換效率至關(guān)重要。電流檢測對于控制功率流、 防止過(guò)流和保持在安全運行范圍內至關(guān)重要。
通常采用數字隔離器來(lái)保護 MCU 免受不同接地基準帶來(lái)的潛在問(wèn)題的影響， 并限制噪聲從功率級傳播到控制級。隔離柵極驅動(dòng)器、 MCU 和功率級有助于管理噪聲和電壓尖峰傳播。不建議在 DC-DC 轉換器中使用光電耦合器， 因為當暴露在較高溫度下時(shí)， 光電耦合器的關(guān)鍵參數會(huì )隨使用壽命而退化和漂移。（有必要對漂移進(jìn)行補償）
MCU 通過(guò)車(chē)載 CAN總線(xiàn)與電池管理系統（BMS） 通信， 以便調整電池充電狀態(tài)。MCU 必須能夠斷開(kāi)轉換器， 使其在車(chē)輛熄火時(shí)不消耗能量， 并根據 48V 和 12V 電池的充電狀態(tài)以正確的模式喚醒。
大型 MHEV 車(chē)輛中的 24V 系統
48V 輕度混合動(dòng)力的吸引力不僅限于乘用車(chē)， 由于共同致力于減少排放， 它對商用車(chē)和農用車(chē)（CAV） 也具有重要意義。
輕度混合動(dòng)力公交車(chē)在歐洲越來(lái)越受歡迎， 我們可以看到它們被城市采用， 在公共交通中取代柴油公交車(chē)。
在卡車(chē)、 公共汽車(chē)和軍用車(chē)輛等大型車(chē)輛中， 車(chē)輛的長(cháng)度和電子負載的功耗是將 24V 電壓作為主電壓網(wǎng)絡(luò )的首要因素。對更高功率的需求、 較長(cháng)電纜導致的銅材料成本增加以及由此導致的壓降是使用 24V 代替 12V 的部分原因。
與小型乘用車(chē)中的應用類(lèi)似， 大型車(chē)輛的一個(gè)關(guān)鍵要求是為較低電壓的 24V 網(wǎng)絡(luò )供電。乘用型 MHEV 汽車(chē)的 DCDC 轉換器拓撲結構可在降壓模式（將 48V 降壓至 24V） 和升壓模式（升壓） 下工作， 也適用于大型車(chē)輛， 但在選擇元器件時(shí)必須考慮更高的性能、 功耗和較長(cháng)電纜的需求。
標準與合規性
符合 ISO 26262 這一國際功能安全標準， 對于開(kāi)發(fā)道路車(chē)輛的電氣和電子系統至關(guān)重要。該標準的主要目標是最大限度地減少由車(chē)輛系統故障引發(fā)的風(fēng)險， 解決軟件故障、 傳感器錯誤和硬件故障等潛在危險。
針對電動(dòng)汽車(chē)中的 48V 系統、 元器件及其測試的具體標準已經(jīng)出現， 首個(gè)標準是 LV148， 該標準后來(lái)被德國 VDA320取代?，F行標準為 ISO 21780:2020， 它取代了 VDA320。有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)安全和測試的其他標準還包括 ISO 6469 和 ISO21498。
48V 網(wǎng)絡(luò )的元件冗余對于確保電力系統的可靠性和彈性至關(guān)重要。這將是開(kāi)發(fā)和更廣泛采用 48V 系統的驅動(dòng)因素之一。在單個(gè)元件發(fā)生故障時(shí)， 冗余元件可作為備份， 防止整個(gè)系統中斷。這對于關(guān)鍵安全系統（如控制制動(dòng)、 轉向和安全氣囊系統） 尤為重要。
安森美（onsemi）作為一家歷史悠久的領(lǐng)先汽車(chē)產(chǎn)品供應商， 深知降低成本的同時(shí)還要提高性能和安全性所面臨的挑戰。安森美在 ISO 26262 方面的專(zhuān)業(yè)知識和實(shí)施經(jīng)驗是為客戶(hù)提供經(jīng)濟高效解決方案的關(guān)鍵， 同時(shí)絕不犧牲安全性。
通過(guò)確定集成電路和其他車(chē)用元件的安全要求， 公司能夠提供最佳架構和解決方案。同時(shí)關(guān)注重要的故障模式及其預防。
未完待續，下一篇推文將繼續介紹解決方案、對應的安森美產(chǎn)品，并提供完整版解決方案下載。
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