适用于轻混的48V动力系统

寂静回声

在传统内燃机（ICE）中，动力系统必须能够在非常宽泛的功率和速度条件范围内运行，这通常以“转矩-速度”曲线来表示。而混合动力系统则是对多重动力源进行布置，实现了每个子系统性能的整体优化。其电动力源可提供非常高的转矩，且在汽车加速时可发挥作用，但可随时切断电源。所涉及的具体时间取决于电池大小和电机的转矩输出。借助这种可产生动力源的高转矩，ICE尺寸得以显著缩小。这使其燃油能效也大大提升。然而，添加电动力源并非简单的工程问题，需要更为复杂的设计方法。
总体来说，48V系统是通过添加高压（～350V）电池和直接耦合至ICE动力系统的高性能电机，提高了整体的电气化程度。这些“全”混合动力汽车的定义类别一直是节能汽车，且从提升能效角度看也颇具吸引力。但是，它们也使汽车的成本和重量大大增加。
于是乎，48V汽车系统架构得到了相当多的关注。因为该系统以更低的成本和最佳的效率提升，成为了各大车企找到的技术突破口。通常情况下，称它们为“轻度混合动力（Mild Hybrids）”，但当在更低的功率级别下设计时，也可归类为“微混合动力（Micro Hybrids）”。它们采用相对紧凑的48V电池、高性能电机以及至少一个额外的48V电气化子系统。
双电压系统使大量的新配置成为可能
48V架构的选择相当宽泛，且应用在不断增加。最基础的48V系统包括一块电池、一个起动发电机、一个48V至12V转换器，且通常至少有一个48V负载。由于48V汽车仍然保留12V电池和多个12V负载，因此目前多数以双电压系统的形式存在。
凭借双电压系统，大量的新配置成为可能。由于48V系统能够提供更高的功率水平，因此它将支持更高功率的外设，如48V E-Turbo和48V E-Roll稳定系统。此外，更高的功率可用性将推动耗电的12V负载迁移至48V总线，以充分利用更高的能效。
起初，双电压系统的12V系统侧将保持原样，其中减去了12V交流发电机。由于没有12V的发电源，因此需要有一个转换器负责将48V产生的电力转移到12V侧。尽管转换器需要高能效，但它仍会对所有12V负载施加能量损耗，因其需要通过转换器获取电源。在增加的损耗和功率限制之间产生了强大的诱因，才能够将12V外设移至48V运行。
此外，这些转换器在设计上均为双向的，在高需求期间可同时使用两种电池。双向转换器能够将来自任一电池的电源转换到另一电池，并且可能存在于未来某一段时间内。

图1. 典型48V 轻度混合系统电气拓扑结构
除冗余之外，保留12V启动器并没有技术上的原因，将其拆移除可能会成为未来的趋势。如果可以完全移除，那么12V电池的尺寸将能够显著减小。但这将是一个大胆的举动，需要非常谨慎地对转换器进行设计。
对于48V系统侧，起动发电机是主要部件。它负责汽车所有电力生成以及汽车起动。它还能在汽车制动期间执行再生能量回收。在此模式下，它作为发电机为动力系统提供负转矩，减慢车速并恢复电池电量。起动发电机有多种配置和功率级别，每个都有着非常具体的实施目标。
在混合动力领域，安森美还采用了一个简写代码来确定电机在底盘子系统中的位置。该系统通过使用一组Px指示器来生成标签，指示电机与动力系统耦合的每个位置（见图2）。指示器（P0至P4）的数值在功率插入点穿过车尾时会上升。

图2. Px 混合系统术语和示例功率级别
由于BSG的插入点位于发动机的前端附件驱动（FEAD）处，因此BSG的功率级别是最小的，其中转矩的传输必须通过钢带连接。由于其通过钢制齿轮耦合，所以底盘的其余插入点（P2-P4）都具有更高的功率水平。另外，更高功率的机器具有能够为ICE提供牵引辅助的附加功能。这意味着除了由ICE提供的动力之外，电动力源还也能够提升汽车的加速度。在某些配置下，可以想象在ICE关闭的情况下，汽车单靠电动力源即可开动。这取决于电机可用的牵引辅助量及其在底盘子系统中的位置。
增加电源转换器保持高能效
双电压系统需要增加48V至12V电源转换器。因为在没有12V交流发电机的情况下需要为12V系统供电，就需要该组件。由于需要双向行为和高能效，所以需要专门的设计方法。这些转换器的典型功率范围在1kW至3kW范围内，为了在这样的大功率范围内保持高能效，多级降压-升压转换器是目前极为流行的拓扑结构。降压拓扑结构允许电力从较高电压侧流向较低电压侧。与之类似地，升压拓扑允许反方向的功率流动。多级设计允许共享许多单独的转换器子电路，以组合成一个高功率设计。在转换器输出负载很重的情况下，所有的子电路都能够工作。当转换器输出轻负载时，许多子电路将被关断，从而提供更低的损耗和更高的能效。

能想得到的48V负载有多种多样，而许多较高的功率负载无法通过12V系统实现。其中最高的是电控增压器。由于增压器需要在几分之一秒内加速到极高的速度，因此需要相当高的瞬态功率。典型的增压器驱动包括一个低惯性三相电动机，由一个三相逆变器驱动。尽管平均功率相对较低，但峰值功率可达8kW以上。如此宽泛的功率范围配置可完美匹配48V系统。许多其它汽车子系统也非常适合48V架构，无论是单相还是三相配置。
安全至关重要
48V电池系统由锂离子电池构成，相较于铅酸电池，它需要更多的注意和处理。鉴于此，48V汽车需要电池管理系统（BMS）。该系统负责监控电池电压和电池温度，以便能够安全地为电池充电。由于48V系统具有再生能力，这种情况也变得更为复杂。当汽车电池的剩余电量足够低时，可发出再生指令，但是对BMS的控制需要非常谨慎，这对于防止过充或过热至关重要。
48V电路对熔断和接触也有更为复杂的要求。目前尚不确定的是，用于48V系统的12V刀片式保险丝能否提供足够的电弧防护。而且，由于48V系统所需的继电器触点距离将大于12V系统所需的，因此需要重新设计保险丝和继电器。由于这些组件的要求都可以通过采用半导体器件轻松满足，所以这些问题很可能通过电子方案来解决。