【導讀】車載48V技術具有一些獨到的優(yōu)勢：有助于降低整體油耗，減少環(huán)境危害，甚至能提高發(fā)動機的性能。該技術的核心元件是一個強大的降壓式 （buck-boost） 轉換器，而TDK集團為該轉換器提供關鍵的無源元件： 功率電感器和鋁電解電容器。
隨著復雜的動力傳動管理系統(tǒng)、輔助電子加熱等舒適系統(tǒng)，ABS（防抱死剎車系統(tǒng)）、ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）等安全系統(tǒng)，以及諸多其它系統(tǒng)的日益增加，車輛的電氣負載不斷增加，逐漸成為耗能大戶。與此同時推動了交流發(fā)電機功率水平的穩(wěn)步提升。在19世紀80年代初，即使豪華車輛其交流發(fā)電機也僅輸出約0.7 kW的功率。然而，目前車輛所需的功率輸出已經(jīng)達到3.5kW，幾乎為原來的7倍。隨之出現(xiàn)的問題是，如果14V交流發(fā)電機輸出這么大的功率，則意味著發(fā)電機輸出電流將高達250A。在此電壓/電流比下，發(fā)電機的效率僅為70%。這就要求發(fā)動機對發(fā)電機的輸入功率達到5kW。另外大電流的缺點在于它要求導體的截面積必須很大，這導致車輛重量和整體成本的顯著增加。
48V系統(tǒng)可顯著提高效率
隨著人們對降低油耗和CO2排放量的要求日益提升，市場亟需找到針對性的解決方案。48V技術應運而生并帶來諸多優(yōu)勢，因為它使眾多僅通過12V系統(tǒng)無法解決的節(jié)能措施得以實現(xiàn)。其功能特性包括：
功率大于5kW時，能量回收效率很高
擴張的啟停功能，如緩慢啟動或平滑停止
電氣化單元，如渦輪增壓器和電動助力轉向系統(tǒng)
支持微混型和輕度混合動力解決方案
48V系統(tǒng)并不是完全替代現(xiàn)有的12V架構。相反，這種方法不禁讓我們能對12V系統(tǒng)進行拓展，以處理功率更高的負載，同時還能通過升降式轉換器裝置將48V系統(tǒng)耦合到這些系統(tǒng)中間。圖1解釋了這種架構的原理。常規(guī)的鉛酸或鉛酸膠體蓄電池用于12V等級，而鋰離子電池則用于48V等級。雙層電容器還可并聯(lián)在此處，以在恢復過程中改善電能的存儲狀況。
圖1：集成式12/48V板載電源的架構原理
主要改進在于將發(fā)電機的電平設置為48V等級，以實現(xiàn)更高的功率輸出和能效等級。兩種電壓等級通過一個雙向降壓式轉換器裝置進行連接。
通過升降式轉換器實現(xiàn)高效耦合
在集成的12/48V系統(tǒng)中，最重要的元件是升降式轉換器，該轉換器允許能量在兩種不同的電壓等級之間雙向流動，并且能提供2～5kW的功率輸出。圖2顯示了這種轉換器的電路原理圖。在正常模式下，該轉換器作為降壓轉換器，將48V系統(tǒng)產(chǎn)生的功率輸出到12V系統(tǒng)中。在此工作模式下，T2一直處于阻斷狀態(tài)，而T1則作為開關工作。如果需要輸出48V等級電壓，則必須采用升壓模式。在這種情況下，T1一直處于接通狀態(tài)，而T2則工作在脈沖模式下。為最大限度降低紋波電流和電壓，實際運用中需要將6個或8個模塊進行并聯(lián)。
圖2：降壓式轉換器電路圖
除開關晶體管外，愛普科斯 （EPCOS） 功率電感器和儲能電容器也是升降式轉換器的核心元件。
TDK集團研發(fā)出兩種新的愛普科斯 （EPCOS） 功率電感器系列，作為轉換器儲能和平滑扼流圈。例如，表面貼裝 （SMD） 型ERU 27系列電感器具有高通流能力，且封裝緊湊，面積僅為30mm&TImes;27.8mm（圖3左側）。其插入高度為15.5mm或20.3mm，具體高度取決于電感值。這種緊湊型設計采用了具有高填充系數(shù)的扁平繞組予以實現(xiàn)。電感器具有六種不同型號，電感范圍涵蓋3.5µH到與15µH的范圍，飽和電流介入19 A與49 A之間。為了提高元件在PCB上的機械穩(wěn)定性，除兩個繞組焊盤外，該產(chǎn)品還增加了第三個焊盤。
除了此SMD產(chǎn)品外， 帶PTH端子的愛普科斯 （EPCOS） ERU 33系列產(chǎn)品（圖3右側）可供選擇適用其額定電感值為3.2µH~10µH，具體視不同型號而定。如為確保飽和電流為79A，電感器的電阻僅有0.85 m?。該系列的功率扼流圈尺寸為33mm&TImes;33mm&TImes;15mm，適用工作溫度范圍為-40°C至+150°C，并且符合RoHS標準，通過AEC-Q200可靠性測試。除標準的ERU 27和ERU 33型號外，我們還可根據(jù)客戶的特定需求進行定制。
圖3：緊湊型愛普科斯 （EPCOS） 功率電感器的通流能力最高可達75 A
具有高紋波電流輸出能力的極限耐振電容器
除電感器外，降壓式轉換器的核心元件還包括用于儲能和平滑處理的堅固型鋁電解電容器。愛普科斯 （EPCOS） B41689和B41789系列（圖4）專為滿足汽車電子產(chǎn)品的嚴格要求而設計，其具備最高達60倍重力加速度的超強抗振動性能。此外，星形焊接和兩端帶陰極板觸點的電容器型號還能優(yōu)化電容器的安裝，使電容器的等效串聯(lián)電感 （ESL） 維持在較低的數(shù)值。
圖4：應用于汽車電子的愛普科斯 （EPCOS） 鋁電解電容器具有最高達60g的超強抗振動性能，且最高工作溫度可達150°C。
由于內(nèi)置多個觸點，這些電容器的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 也相當之低，從而具有更高的紋波電流能力和更低的損耗。當環(huán)境溫度為125 °C時，這些電容器的連續(xù)紋波電流能力可達29.5 A，具體視電容器型號而定。其中，汽車系列額定電壓為25V、40V（或12V）和63V（或48V）的應用而設計。在這些電壓等級下，它們能工作在具有兩種不同電壓等級的新型車載電源系統(tǒng)中。在這電容器的電容量可從360µF至4500µF。
除功率電感器和鋁電解電容器等核心元件外，降壓式轉換器還包括一系列的其他TDK集團的元件，如多層陶瓷電容器 （MLCC）、電流互感器和壓敏電阻等。
渦輪增壓器提升發(fā)動機效率
除泵機等常規(guī)電氣化單元外，48V技術還通過電子渦輪增壓器提高發(fā)動機的工作效率。常規(guī)的渦輪增壓器主要通過消耗燃氣進行驅動，因此它們的性能與發(fā)動機的轉速密切相關。此外，它們在運行中還稍有延遲，我們將其稱之為“渦輪遲滯”。該缺點可通過電動充電器予以消除，特別是當它們需要在較低的發(fā)動機轉速下實現(xiàn)快速響應時，如市區(qū)行駛，從而提高發(fā)動機的效率（如圖所示）。此外它還具有以下優(yōu)勢：電子渦輪增壓器能與常規(guī)渦輪增壓器相結合，進一步提高充電電壓，或在發(fā)動機轉速達到很高時關閉電動充電器。
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