48 V系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換方案對(duì)比分析

【摘要】為了提高汽車穩(wěn)定性與可靠性，保障汽車安全高效運(yùn)行，對(duì)比分析了5種代表性48 V電源系統(tǒng)方案：PWM控制器電源方案、開關(guān)電源降壓轉(zhuǎn)換器電源方案、開關(guān)電源控制器電源方案、LLC變壓器電源方案和入口防護(hù)電源方案。從集成度、復(fù)雜度、成本等多方面深入對(duì)以上方案進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)地分析了其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場景，以滿足不同使用環(huán)境下不同車輛功能要求，為汽車研發(fā)人員根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用需求選擇合適的電源轉(zhuǎn)換方案與車型進(jìn)行匹配提供參考。

關(guān)鍵詞：48 V系統(tǒng)；電源方案；對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：U469.72+2文獻(xiàn)表示碼：ADOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240210

Comparison Analysis on 48 V System Power Conversion Schemes

LüJiawen， Zhao Mulong， Yu Jicheng， Liao Bo， Gao Hang

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】To enhance the stability and reliability of automobiles while ensuring their safe and efficient operation， a comparative analysis is conducted on 5 representative 48 V power system solutions： PWM controller， switching power supply buck converter， switching power supply controller， LLC transformer， and entry protector power supply scheme. The solutions are thoroughly compared in terms of integration， complexity， cost， and other relevant factors. A systematic evaluation of their advantages， disadvantages， and application scenarios is performed to address the functional requirements of different vehicles in various operating environments. This analysis serves as a valuable reference for automotive researchers and developers in selecting the appropriate power conversion scheme and aligning it with vehicle models based on actual product application needs.

Key words： 48 V system， Power supply scheme， Comparison Analysis

1 引言

目前，能源短缺和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，各國車輛油耗法規(guī)日趨嚴(yán)苛，要求汽車產(chǎn)品必須不斷降低油耗水平[1-2]，我國也出臺(tái)了一系列政策、措施降低汽車排放、減少環(huán)境污染，其中包括推廣應(yīng)用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混動(dòng)車輛系統(tǒng)等[3]。在此背景下，48 V電源系統(tǒng)作為一種有效的節(jié)能技術(shù)，可以滿足數(shù)目更多、功率更大的負(fù)載（如空調(diào)系統(tǒng)供電、額外動(dòng)力輔助、制動(dòng)能量回收）[4-6]，也可以在汽車啟動(dòng)或者突然加速時(shí)，為車輛提供臨時(shí)的動(dòng)力，為駕乘人員提供更好的駕駛體驗(yàn)，并有效降低整車油耗，受到業(yè)界廣泛關(guān)注[7-14]。國外車企對(duì)48 V電源系統(tǒng)的應(yīng)用和研究較為成熟，48 V輕混系統(tǒng)、微混系統(tǒng)等均已在不同車型中應(yīng)用[15-16]，尤其在新能源汽車中得到了很好的市場反饋。例如，豐田普銳斯的48 V系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效的能量回收與分配，大幅提升了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。特斯拉純電汽車Cybertruck應(yīng)用48 V電源系統(tǒng)，顯著提高了整車的電池效率。在電氣架構(gòu)層面，特斯拉的48 V電源系統(tǒng)優(yōu)化了整車的電力分配，為汽車的智能化功能提供了更穩(wěn)定的電力支持。德系汽車企業(yè)，如奔馳、寶馬、奧迪，也非常重視48 V混動(dòng)系統(tǒng)的研究[7-10]。國內(nèi)車企比亞迪曾推出48 V微混系統(tǒng)，由于國內(nèi)在該領(lǐng)域的技術(shù)研究投入相對(duì)有限，48 V電源系統(tǒng)未能成為各大車企的重點(diǎn)研究對(duì)象[20-21]。

本文對(duì)比分析了5種48 V電源系統(tǒng)的電源方案，這些方案均滿足ISO-21780《道路車輛-48 V供電電壓-電氣要求和實(shí)驗(yàn)》相關(guān)要求，滿足最高耐壓值均大于短時(shí)過電壓上限60V，向下同樣兼容商用車24V系統(tǒng)[17-19]。本文旨在為汽車研發(fā)人員根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景按需選擇48 V電源系統(tǒng)方案提供參考，以提高電子汽車域控制器穩(wěn)定性與可靠性、降低整車能耗、保障汽車安全高效運(yùn)行。

2 48 V電源系統(tǒng)供電方案

2.1 PWM控制器電源方案

第1種48 V電源系統(tǒng)供電方案基于脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）控制器實(shí)現(xiàn)，主要由開關(guān)電源降壓轉(zhuǎn)換器（Converter）、微控制單元（Microcontroller Unit， MCU）、脈沖寬度調(diào)制控制器，高低邊金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor， MOS）等部件組成，如圖1所示。

一級(jí)開關(guān)電源降壓轉(zhuǎn)換器一般采用小封裝的集成MOS開關(guān)電源，其主要作用是將蓄電池的高壓電轉(zhuǎn)換成MCU工作電壓（如3.3V），此處的MCU只需提供頻率信號(hào)輸出，功率一般為1 W。此處的開關(guān)電源降壓轉(zhuǎn)換器只需滿足耐壓值＞60V，輸出電流需求較小，一般1 A的輸出能力即可滿足需求。MCU工作后輸出高低邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)脈沖寬度調(diào)制控制器，脈沖寬度調(diào)制控制器將MCU的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理后，驅(qū)動(dòng)外置的上下MOS，形成外置MOS的開關(guān)電源（DCDC）結(jié)構(gòu)。輸出的12 V電壓繼續(xù)給后面的控制器以及供電需求為12 V的負(fù)載供電。

該方案采用外置MOS，一般可以級(jí)聯(lián)輸出，輸出電流能力很大，MOS需要滿足60V以上耐壓，額定通流能力大于實(shí)際的負(fù)載電流需求，并需考慮實(shí)際應(yīng)用過程下的極端場景帶來的參數(shù)縮減，因此需滿足一定比例的降額。

該方案不需要脈沖寬度調(diào)制控制器產(chǎn)生特定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，相比于開關(guān)電源降壓轉(zhuǎn)換器具有更好的成本優(yōu)勢。例如安森美（ONSEMI）的開關(guān)電源控制器NCV51511，可通過級(jí)聯(lián)輸出0～50 A的電流。但是，由于該方案需要外部MCU或者其他主芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，需要專門引入MCU提供時(shí)鐘信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且需要配置高壓開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器滿足MCU的工作需求。引入MCU和前級(jí)供電芯片可能會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，加重新印制電路板（Printed Circuit Board， PCB）布局的工作負(fù)擔(dān)，使供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常繁瑣。因此，在采用該方案時(shí)需重點(diǎn)考慮額外引入的MCU帶來的影響。對(duì)于本來就有MCU的控制器系統(tǒng)，并且負(fù)載的電流需求較大時(shí)，可以優(yōu)先考慮該方案。

2.2 開關(guān)電源降壓轉(zhuǎn)換器（Converter）電源方案

第2種48 V電源系統(tǒng)供電方案基于降壓芯片實(shí)現(xiàn)，與第1種供電方案不同，該方案不需要外部引入MCU提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，也不需要提供一級(jí)MCU供電電源。其主要的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要組成部分為開關(guān)電源降壓轉(zhuǎn)換器，此類芯片內(nèi)部集成MOS、脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器、比較器和放大器，只需要外部提供供電和使能，可以直接將蓄電池的高壓轉(zhuǎn)換成低壓輸出，為后級(jí)負(fù)載供電。

該方案由于內(nèi)部集成了MOS，相比于其他電源方案占用空間最小、集成度最高、應(yīng)用便利性強(qiáng)且耐壓值很高。目前，德州儀器（TI）的電源芯片LM5013-Q1耐壓值可以達(dá)到100V。但是該方案缺點(diǎn)也很明顯，由于MOS集成在芯片內(nèi)部，芯片散熱能力有限，輸出電流有限（約3 A）。該方案更適用于小功率的控制器供電，如果電源軌可以分開供電，可以選用多個(gè)開關(guān)電源降壓轉(zhuǎn)換器組合供電，以滿足多路小電流用電需求。

2.3 開關(guān)電源控制器（Controller）電源方案

第3種48 V供電方案基于開關(guān)電源控制器實(shí)現(xiàn)，該方案與方案2的主要區(qū)別是開關(guān)電源控制器需要外部配置上下MOS以構(gòu)成開關(guān)電源降壓拓?fù)?。該方案的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要部件包括開關(guān)電源控制器，其內(nèi)部包含頻率發(fā)生器、比較器、放大器，作用為存在輸入電壓和使能時(shí)，此類芯片可以輸出高低邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，外部增加MOS后可以正常工作，輸出12 V工作電壓。此類芯片頻率一般可調(diào)，以應(yīng)對(duì)電磁干擾帶來的影響。

與方案2相比，該方案集成度稍有降低，但是通過搭配參數(shù)合理的MOS，可以極大提高輸出電流的能力，只要開關(guān)電源控制器的驅(qū)動(dòng)電壓足夠讓MOS完全導(dǎo)通，并選用通流能力大的MOS，輸出電流可以達(dá)到20 A。而且，此方案的耐壓值也比較高，德州儀器的電源芯片LM5146-Q1耐壓值高達(dá)100V。但是，該方案更加適合為12 V系統(tǒng)的控制器供電，無法為12 V系統(tǒng)提供足夠大的負(fù)載驅(qū)動(dòng)。

2.4 LLC變壓器電源方案

第4種48 V供電方案基于電感-電感-電容（LLC）諧振轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該方案采用LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由開關(guān)電路、諧振電路、變壓器和整流電路組成，如圖4所示。開關(guān)電路主要由MOS等開關(guān)器件組成，諧振電路由側(cè)漏感、勵(lì)磁電感、一次側(cè)諧振電容組成，變壓器用于電壓變換和電氣隔離，整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。開關(guān)電路通過將MOS交替導(dǎo)通和截止，將直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻率的方波。該電源方案的工作原理為開關(guān)電路控制外部MOS快速的導(dǎo)通和關(guān)閉，產(chǎn)生高頻率的方波電壓，方波電壓通過LLC構(gòu)成的諧振電路，輸出正弦波的輸出電流，并通過變壓器傳到次級(jí)測，最后通過蒸餾和濾波，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓輸出。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過控制MOS的軟開，可以極大地降低開關(guān)損耗，提高電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，輸出功率可達(dá)1 000 W。芯源系統(tǒng)有限公司的LLC降壓模組MPC12308，輸出電流超過80 A，輸出功率為1000W。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)12 V系統(tǒng)部分大功率功能驅(qū)動(dòng)，例如座椅加熱、水暖等。但是，該電源系統(tǒng)需要引入大量的分立器件，提高控制器的制作成本，并給PCB布局帶來很大困難。而且，該系統(tǒng)一般耐壓值較低，根據(jù)實(shí)際情況可能需要增加前級(jí)防護(hù)電路，這無疑使整個(gè)控制器體積更大。

2.5 入口防護(hù)電源方案

第5種48 V供電方案基于入口防護(hù)器件實(shí)現(xiàn)，主要部分為智能二極管控制器，以及低耐壓的開關(guān)電源降壓芯片，如圖5所示。智能二極管具備極高的耐壓值，能夠有效承擔(dān)高強(qiáng)度的浪涌電壓與瞬態(tài)電壓。此類二極管控制器在電子汽車供電系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它不僅能夠?qū)斎腚妷哼M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還能在電壓異常時(shí)迅速做出響應(yīng)，保護(hù)后端電路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，該類芯片還具備精準(zhǔn)的過壓檢測功能。當(dāng)輸入電壓高于預(yù)先設(shè)定的限定值時(shí)，能夠立即中斷通路，從而確保后端的芯片不會(huì)因過壓而被燒壞。芯源系統(tǒng)有限公司的 MPQ5858-AEC1芯片耐壓值高達(dá)80V，并且過壓保護(hù)的限制也能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行靈活調(diào)整。該方案通過引入具備過壓保護(hù)功能的智能二極管，能夠大幅提升后端電源芯片選型的自由度。一些耐壓值為60V 以上的電源芯片均可滿足電子汽車系統(tǒng)的需求。然而，該方案所增加的智能二極管控制器在一定程度上增大了控制器的成本，并且也增加了電源系統(tǒng)在電子汽車有限空間內(nèi)的占用面積。

3 48 V電源系統(tǒng)供電方案對(duì)比分析

本文介紹的5種電源系統(tǒng)，由于其各自的工作原理存在差異，導(dǎo)致它們?cè)隗w積、成本、帶載能力等諸多方面均呈現(xiàn)出很大差異，5種電源方案的特點(diǎn)以及推薦使用場景對(duì)比分析如表1所示。方案1具有較大的帶載能力，復(fù)雜度高，集成度低，需要配合MCU才能實(shí)現(xiàn)功能，適用于使用MCU作為系統(tǒng)主控的底盤域控制器使用；方案2在集成度和成本方面表現(xiàn)突出，但是帶載能力很弱，適用于電流需求小的控制器使用；方案3在集成度和成本方面表現(xiàn)同樣出色，相比于方案2，帶載能力得到很大的提升，適用于低功率的車身域控制器使用；方案4的負(fù)載度最高，集成度最低，但是可以輸出最大的功率，適用于帶有高功率的發(fā)熱負(fù)載的底盤域控制器；方案5結(jié)構(gòu)簡單，提高了電源芯片選型的自由度，但是同樣增加了控制器的成本，適用于內(nèi)部存在多個(gè)一級(jí)電源芯片的控制器。

4 結(jié)束語

本文對(duì)比分析了5種48 V電源系統(tǒng)的電源方案，這些電源方案具有高度的靈活性。具體而言，不同的工作原理會(huì)對(duì)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)、電路組成以及性能表現(xiàn)影響較大。若項(xiàng)目對(duì)空間要求較為嚴(yán)格，那么體積較小的電源系統(tǒng)可能更為合適；若成本控制是關(guān)鍵因素，則需要權(quán)衡不同方案的成本差異。在實(shí)際應(yīng)用過程中，研發(fā)人員根據(jù)不同應(yīng)用場景下不同車型的用電需求，在多種電源方案中靈活選擇最契合項(xiàng)目需求的解決方案，提高汽車域控制器穩(wěn)定性與可靠性，從而確保新能源汽車電源系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

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