【原创深度】在12V的基础上增加48V会带来重大的好处(二)

作者:Bill Schweber 贸泽电子

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需要哪些必要条件

采用48V的方式不仅仅是需要一个新的电池,除了直径更小的线束和更小的连接器之外,还需要考虑线束弯曲(更细的线束允许更大的弯曲)、考虑线束绝缘以及其他机械结构的变化,提供详细的说明。这些都是显而易见且容易操作的变化,但是由于12V和48V总线并不是相互隔离的,因此需要新的功能模块来共同管理它们(图4)。

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图4:两个电压总线之间的关系很复杂,需要仔细分析它们共存的意义(来源:TI)

其他不太明显的变化也是有的,在12V总线上可能出现的高达30V和40V电压峰值定制保护电路,此外在48V总线上的组件额定电压也要提高,额定电压较低的组件会发生断路,即使是基本的熔断器(本质上是对电流敏感的器件)也对自身承受的电压有最大的额定值,因此需要在物理和电气方面进行调整从而适应较低的电流(比较容易)和较高的电压(稍微困难)。同样保护电池反向连接的标准组件也是每个电路模块必不可少的,在主线束意外错误连接时需要合理的处理可能产生的更高的反向电压。

然而真正的挑战是从电池管理开始,在大多数系统中这涉及到多个具有相同额定电压电池的监测和管理,但是对于12V/48V这样的设计,虽然是两个非常不同的电压值,但是从电池管理的角度来看48V和12V更适合在相应的情况下共享和交换电能。

集成器件比如ADI开发的LTC3871芯片就是为这种情况而设计的(图5),这种双向的buck/boost开关调节器(控制器)允许两个电池通过一个电池转换给另一块电池,同时向负载提供能量,它会根据处理器控制信号来切换buck模式从VHIGH-to-VLOW 以及boost模式从VLOW-to-VHIGH的转换,与此同时其精确的电流回路调节可以在两个方向上传输最大的电流。

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图5:ADI公司推出的LTC3871芯片是一款双向的、降压/升压开关调节器(控制器),允许在两个电池之间交换能量必要时会向负载提供能量(来源:ADI)

48V电池本身很特别,原则上它的结构可以由四个12V铅酸电池串联而成,但这样会占用太多的空间,需要较粗的连接线缆,相反48V电池是一种锂离子电池,专门设计来提供这种电压,其体积与12V电池大致相同。

博世公司(Bosch)为汽车的48V系统提供了一款电池设计(图6),尺寸为309mm X 175mm X 90mm,因此可以放置在汽车座椅或后备箱中,它是一个被动冷却的设备,不需要风扇(否则会造成更高的成本且可靠性降低),也不会产生噪音,这个七公斤中的装置可以提供高达13KW的电力,此外它还支持能量回收充电。

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图6:博世(Bosch)生产的这款锂离子电池(Li-ion unit)是一款可用的48V电池,它可以放置在汽车座椅下面,而且采用被动降温方式(来源:博世)

总结

12V电池为汽车工业提供了良好的服务,其长期以来的应用表现清楚的证明了这一点,然而由于IR损耗、功率损耗等问题这种单一的低压总线方案已经不能满足当今汽车快速增长的电能需求了。

现在的解决方案采用48V补充电池,这并不是“即将到来”的一种预测,因为它已经在很多汽车的动力系统中获得应用,涉及燃油汽车、微混电动汽车以及纯电动汽车,48V方案的使用正在迅速扩大,因为它是解决现在电力问题的唯一可行的方法。

采用这种新的解决方案需要新的线缆、连接器、电源管理IC和无源保护组件,以及48V锂离子电池。也许在未来的一二十年里12V电池会成为古董车站上的一个亮点,但是在可预见的未来12V和48V电池将会共存并且相互作用,从而提供更加高效的电力解决方案。

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原文链接:
https://www.mouser.com/applications/adding-48V-to-12V-means-major-benefits/

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