數(shù)字電源管理在汽車中的應(yīng)用
汽車行業(yè)的終極目標(biāo)是普及純電動(dòng)汽車，這樣只需一組電池即可實(shí)現(xiàn)包括牽引在內(nèi)的所有板上功能，而我們距離這個(gè)目標(biāo)還非常遙遠(yuǎn)。電池的儲(chǔ)能密度(單位：千瓦時(shí)/千克)仍然不足以支持汽車正常的日常使用，電池續(xù)航能力還很有限而且成本過高。
然而，近十年來不斷飆升的燃油成本和降低汽車尾氣排放量的環(huán)保要求推動(dòng)了啟/停系統(tǒng)在所有新車中的應(yīng)用，以及市面上首個(gè)油電混合動(dòng)力汽車系列的推出。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)汽車和全EV(電動(dòng)汽車)之間的折中解決方案就是該行業(yè)下一階段技術(shù)升級(jí)的重點(diǎn)。啟/停功能現(xiàn)已被世界某些地區(qū)(以歐洲為主)的很多汽車制造商廣泛采用，下一步就是推出兩種引擎(內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī))共存的油電混合動(dòng)力汽車。
如今有多個(gè)HEV種類及其充當(dāng)EV的等級(jí)。汽車內(nèi)主要應(yīng)用轉(zhuǎn)向48V電池的新趨勢(shì)向汽車制造商提出了新挑戰(zhàn) - 48V電源線上12V設(shè)備的兼容性和用于管理48V與12V電池間能量流的中/大功率DC/DC雙向轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器必須在300W至3kW-5kW的功率水平下處理雙向能量流，而這是無法用簡(jiǎn)單的單相拓?fù)溥M(jìn)行管理的，因此汽車制造商面臨全新挑戰(zhàn)，即開發(fā)采用多相配置的大功率升/降壓轉(zhuǎn)換器。
首先引入了“微油電混合動(dòng)力汽車(mHEV)”這個(gè)概念，于是48V電網(wǎng)理念隨之而來。mHEV的理念就是利用48V鋰離子電池儲(chǔ)存再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量，后者將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能來為電池充電，然后用它為同一條48V線路上的所有設(shè)備供電或者向下變?yōu)?2V線路，最終提高了汽車效率和燃油續(xù)航力。
mHEV的上一個(gè)智能版本最近被稱為i-mHEV，區(qū)別在于ICE(內(nèi)燃機(jī))關(guān)閉時(shí)利用48V電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)汽車的短程運(yùn)動(dòng)或維持巡航速度。當(dāng)汽車行駛在擁擠的城市街道或者平坦的機(jī)動(dòng)車道(這是電動(dòng)機(jī)最常見的使用環(huán)境)上時(shí)，這極大地降低了油耗。
中壓DC/DC轉(zhuǎn)換器
由于板上有2組電池，所以就不可避免地存在著需要均衡能量和將能量從一組電池轉(zhuǎn)移到另一組上的情況。實(shí)現(xiàn)這種功能的關(guān)鍵就在于48V-12V DC/DC轉(zhuǎn)換器：所有仍采用12V電壓的服務(wù)，例如某些汽車的汽車收音機(jī)、信息娛樂、泵、制動(dòng)器和EPS，使用這種必須利用鋰電池不斷為其充電的電池。根據(jù)被轉(zhuǎn)移到12V網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)數(shù)量的不同，可能需要在幾百瓦至1.5kW或更高的功率水平下進(jìn)行降壓操作。
另一方面，我們可能需要在升壓模式下將某些能量從12V電池轉(zhuǎn)回到48V網(wǎng)絡(luò)上，以便在緊急情況下實(shí)現(xiàn)最小供電。
上一種情況仍不明朗，也未在不同制造商之間實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。這種反向能量在某些情況下要求達(dá)到幾百瓦，而在其它情況下則要求達(dá)到與主降壓轉(zhuǎn)換器相同的功率水平，有時(shí)只需要有限的時(shí)間，而有時(shí)則只要12V電池能夠繼續(xù)工作就沒有時(shí)間限制。
主能量流操作可以高達(dá)幾千瓦，因此無法利用簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器解決方案進(jìn)行管理，對(duì)此我們已經(jīng)達(dá)成了廣泛共識(shí)。
市場(chǎng)上確實(shí)存在著面向這種大功率轉(zhuǎn)換模塊的解決方案，并且大約10年前就已經(jīng)開發(fā)出來了，盡管環(huán)境和電壓水平不同。
在2kW的功率下，電流輸出約為160A，可以利用單相解決方案實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，這樣控制器就更簡(jiǎn)單，但是需要許多驅(qū)動(dòng)器來控制并聯(lián)的多個(gè)FET，開關(guān)頻率通常較低并且被開關(guān)損耗限制在100kHz-200kHz的范圍內(nèi)，這就意味著輸入和輸出電容的尺寸非常大。
多相解決方案就好得多，如圖2所示，每個(gè)開關(guān)都與1個(gè)隔離電感濾波器相連，然后連至同一個(gè)輸出電容。這時(shí)，我們就不用并聯(lián)FET來增加電流輸出了，而要規(guī)定相位數(shù)量和相位，例如每組由2個(gè)FET和1個(gè)電感構(gòu)成。
各個(gè)相位均與其電感相連，并且具有不同的相序。
與單相法相比，這種替代性智能拓?fù)渚哂幸欢▋?yōu)勢(shì)，如表1所示。
汽車用48V-12VDC/DC轉(zhuǎn)換器當(dāng)然要選擇這種拓?fù)?，需要注意的是這種拓?fù)淙匀辉试S使用相同的、面向雙向應(yīng)用的電源元件，只需要將降壓方向的48V -> 12V轉(zhuǎn)換反方向驅(qū)動(dòng)成升壓就可以實(shí)現(xiàn)12V –> 48V轉(zhuǎn)換，不過必須改變FET的開關(guān)控制策略。
汽車行業(yè)現(xiàn)在必須學(xué)會(huì)如何利用多年來一直開發(fā)面向這類轉(zhuǎn)換但不適于汽車環(huán)境、電壓和功率水平的元件的芯片制造商提供的元件、以最有利和最經(jīng)濟(jì)的方法實(shí)現(xiàn)這種解決方案。這正是這些年該市場(chǎng)面臨的真正挑戰(zhàn)。
數(shù)字控制器解決方案
事實(shí)上，作為計(jì)算應(yīng)用解決方案領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商，IR在過去10年里開發(fā)了大量多相數(shù)字轉(zhuǎn)換器專用數(shù)字器件。這些器件與用于制造數(shù)字電源的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之間的主要區(qū)別在于這些器件不是處理器，也不是DSP，因此無需在其內(nèi)核中運(yùn)行軟件。IR過去幾年開發(fā)的數(shù)字器件屬于采用預(yù)配置算法的狀態(tài)機(jī)，可以通過在內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器中寫入某些參數(shù)輕松實(shí)現(xiàn)定制。正因如此，無需汽車領(lǐng)域的軟件認(rèn)證，運(yùn)行過程中也不會(huì)遇到停機(jī)狀況。
需要注意的是圖4 a)中有功率級(jí)。這些器件取代了通常由1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和多個(gè)分立FET構(gòu)成的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)單相輸出，并且內(nèi)部電路和典型應(yīng)用都非常簡(jiǎn)單，詳情請(qǐng)參照?qǐng)D5。
所有這些構(gòu)建模塊現(xiàn)在均可從IR獲得。IR多年來一直在向服務(wù)器制造商供應(yīng)解決方案，并且解決方案的復(fù)雜度和功率密度在過去幾年都得到了大幅提升，6相、180A解決方案的尺寸如圖6所示。
面向汽車應(yīng)用的數(shù)字控制器解決方案及新產(chǎn)品系列
新挑戰(zhàn)在于將所有知識(shí)和這些元件性能從計(jì)算領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到汽車市場(chǎng)中。IR近來與其用戶合作，以便了解用戶需要什么和面向新興mHEV系列的汽車用DC/DC轉(zhuǎn)換器最好具備哪些增值特性。
區(qū)別立顯：
1) 輸入電壓越高(48V而非12V)，輸出電壓也越高(12V而非1V);
2) (每個(gè)相位的)開關(guān)頻率可能更低，為100kHz-200kHz而非400kHz-800kHz;
3) 輸出電壓無需精確到mV，像計(jì)算應(yīng)用一樣可以選擇，并且精度達(dá)到50mV就足夠了;
4) 需要雙向電流，48V => 12V(降壓)或12V => 48V(升壓)操作可以實(shí)現(xiàn);
5) 負(fù)載瞬變不會(huì)太大，因?yàn)椴季€減輕了負(fù)載瞬變;目標(biāo)電流變化預(yù)計(jì)為100A/ms或更低。
在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上，我們列出了希望實(shí)現(xiàn)的數(shù)字IC功能。面向汽車DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的數(shù)字控制器的方框圖如圖7所示。
最后，圖8介紹了如何將這些電源模塊有效地應(yīng)用到面向微HEV和微iHEV的48V – 12VDC/DC能量轉(zhuǎn)換器之中：這些轉(zhuǎn)換器的功率預(yù)計(jì)將在1kW-4kW范圍內(nèi)，這就意味著提議的解決方案無法輕易地以單相轉(zhuǎn)換器的方式實(shí)現(xiàn)，并且很可能必須采用前面討論的雙向、多相降壓-升壓拓?fù)洹?/p>
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