适用于轻度混合动力汽车的48V汽车系统

时间:2022-03-13作者:佚名

随着全球各地对环境状况(特别是空气质量)这一问题的关注日益提升,汽车的CO2排放量需要通过减少汽车的平均油耗来降低。实现这一目标的方法之一就是采用混合动力发动机,而不是纯内燃发动机(ICE)动力汽车。

在典型的汽车中,牵引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”范围来表示。混合动力系统的采用让系统设计者能够自由地在不同的转矩-速度范围内,以优化每项系统性能的方式,对多重动力源进行布置。电动力源可提供非常高的转矩,且在加速汽车时非常有用,但它仅在有限的时间段内可用。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,添加电动力源当然并非简单的工程问题,需要一种有关许多汽车系统设计考量的方法。

传统上,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,电气化已经得以实现。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。

最近,48V汽车系统架构得到了相当多的关注。这些系统可以说是是向着全混合动力汽车前进的一步。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。48V系统更低的成本使其在许多汽车OEM厂商眼中颇具吸引力,它们很快将成为大多数汽车制造商产品组合中的一部分。

48V架构

48V架构的选择宽泛,且在不断增加。最基本的系统包括一块电池、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,因此目前这些系统可能会以双电压系统的形式存在。

图1.典型48V轻度混合系统电气拓扑结构

凭借这些双电压系统,大量的新配置成为可能。由于48V系统基本上能够提供更高的功率水平,因此它将支持全新更高功率的外设,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,减去12V交流发电机。由于没有12V电源的发电源,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负载施加损耗惩罚,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,能够将12V外设移至48V运行。

这些转换器在设计上为双向的,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。

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。如果不再需要它,那么12V电池的尺寸能够显着减小,甚至可以完全移除。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。

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