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如何设计**的汽车电气系统

发布日期:2020-04-12

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-04-12 19:46:03

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由德州仪器(Texas Instruments)赞助:随着越来越多的电子设备被设计用于**的车辆中,古老的12V系统正受到最大的负担,导致工程师实施了双电压12 / 48V替代方案。

作者:劳·弗伦泽尔

2020年3月3日





汽车就在我们眼前改变。它正逐渐从传统的内燃机(ICE)汽车转变为混合动力汽车(HEV),然后再发展为全电动汽车(EV)。接下来是全自动汽车(AV)。


在这些变化的时代,汽车和卡车已经发展成为重要的电动/电子平台。为了安全和提高操控性,增加了多个机电部件,包括先进的驾驶员辅助系统(ADAS),增加了负载。现代汽车也已成为主要的娱乐和通信中心,这一趋势使汽车充斥着电气和电子设备,将12伏电气系统推向了极限。汽车工程师终于解决了这个问题。解决方案是一个12伏加48伏的电气系统。


12 / 48V电气系统概述


新的和即将面世的汽车电气系统使用两个电池和两个电源总线。为什么是48 V?主要是因为较高的电压源会产生更多的功率(P = V2 / R),以运行更新的高功率汽车组件。较高的电压意味着在给定的功率传输量下电流将较小。这意味着可以使用较小的电线,从而降低成本并减轻当今车辆中通常较大的线束的重量。


双电压系统的简化图如图1所示。它由标准的铅酸12V电池组成,通常安装在车辆的前部。第二个电源是通常位于车辆后部的锂离子48 V电池。除了这两个电源外,大量电子电路还利用了可分配的多千瓦功率。


  1. 显示的是12 / 48-V汽车电气系统的概述。




传统的12 V电池将继续为照明,娱乐以及电动窗和座椅等配件供电。新的48V细分市场将处理较重的动力转向,发动机冷却,空调,主动底盘系统,电动涡轮增压器和集成起动发电机(ISG)单元。新系统有足够的容量供将来扩展。


ISG是一种机电装置,可替代旧的起动器和交流发电机。它的设计适合介于发动机和新型HEV / EV的变速器之间。下一代ISG可能会使用需要自己的电子设备的无刷直流电动机。ISG装置实现了许多车辆现在正在部署的起停功能,以节省燃料并****减少CO2。


ISG会快速重新启动引擎,并在主机运行时发电。此外,它提供了一种再生制动措施,有助于为48 V电池充电。本质上,起动发电机系统是48V混合动力汽车架构的核心。


虽然12 / 48-V系统是一项重大改进,但它依靠复杂的电子控制电路来管理其操作。该电子设备的核心是双向DC-DC转换器,可以在电池之间交换功率。有时候,一个系统会提供能量来补充另一个系统,或者某个电池可以为另一个电池充电。


为了实现DC-DC转换器,一种选择是使用德州仪器(TI)的LM5270-Q1 IC。这是一种多相双向电流控制器,允许并控制12V和48V系统之间的任何电流。它还提供双向电流调节至1%。内置过压保护,DIR引脚控制电流的方向。图2显示了主要电路元件。


2.这是用于两总线DC-DC转换器的TI LM5170-Q1双向电流控制器的简化图。



隔离如何影响48V汽车电气系统?


双直流供电系统的基本需求是两个电压系统之间的电气隔离。一个明显的原因是要保护低压电路免受可能的高压作用或现象影响。大多数电子电路(MCU,外围设备和接口芯片)的工作电压为5或3.3V。任何与48 V的接触都会带来灾难性的后果。


另一个原因是公共地面上的噪声会干扰某些设备的运行。但是,最大的问题是更高的噪声和电压瞬变也可能造成损坏。这些瞬变通常来自与开关逆变器相连的48 V总线,后者为三相电动发电机组提供交流电。完全隔离还消除了接地环路问题。那么,隔离在哪里?


一种常见的安排是使用变压器在12 V总线和48 V总线之间耦合dc-dc转换器。半桥和全桥配置均可使用。每个转换器基本上都是一个AC-DC调节器,其中的变压器将两个系统连接起来以交换能量。


此外,MCU及其控制输入之间需要单独的隔离。CAN总线广泛用于汽车应用,是新型双电压系统的理想选择。特殊的电气隔离CAN收发器IC可满足此需求。隔离设备可以防止任何接地环路,并提供针对高压系统及其潜在瞬变的某种保护。在这种情况下,您可能需要考虑TI ISO1042。它提供电容性电隔离,并在CAN-FD模式下支持高达5 Mb / s的数据速率。


安全成功的电池和电气系统的秘诀


车辆电气系统必须可靠且安全。这意味着要进行仔细的设计,以确保故障不会引起过热,火灾或灾难性故障。借助两个大功率电池供电轨和数十个物品供电,潜在的问题在许多地方都隐蔽了。锂离子电池是12 / 48-V系统中最危险的组件之一。


由于这些原因,应仔细监视和保护这些系统。它涉及连续进行电流和电压测量,以确定是否满足所有规格,并且保护系统的所有潜在危险部件免受极端和超范围值的影响。这是通过电池管理系统(BMS)和整个电气系统中的几个测量点来完成的。电压很容易测量,但电流和功率更难精确测量。该问题通过电流检测放大器(CSA)解决。


电流检测放大器是一种专门的运算放大器,已针对电流测量进行了修改和优化。它通过测量与电路电压源连接的串联电阻两端的电压来实现。


CSA被配置为具有集成输入和反馈电阻器的差分放大器,可提供精确测量所必需的精密增益和阻抗特性。与标准运算放大器相比,CSA可提供更高的精度和更低的噪声。电流测量范围为几十微安至几百安培,共模电压范围为-16至+80V。内部电阻器的增益误差低至0.01%。


图3显示了最常见的测量配置。高端配置很受欢迎,因为它可以检测到对地短路的负载。低端电路通常更易于实现。请注意,它们都是差分放大器,通常会驱动一个模数转换器(ADC)。

进行精确测量的能力与集成式精密电阻器以及与负载串联的精密电阻器有关。TI的典型模型是INA300电流检测比较器。其他可用。


CSA也可以作为快速,精确的电子保险丝进行连接。这种快速动作电路能够在记录时间内断开受影响的总线,这是防止损坏车辆中多个电子电路的好方法。TI的TIDA 00795参考设计说明了如何实现此目的。





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