总成架构的演变——失败的42V电池总成与成功的48V电源总线

　　搞要：本文回顾并讨论10年前42V汽车电源总成系统失败方案。如今，一种48V电源总线正在应用于现代汽车之中，促使汽车电子在半导体和系统总成等方面升级。过去10年都有什么样的变化呢？为什么48V是迈向高燃油效率、低辐射汽车的重要步骤？本文将深入透析这一汽车行业标志性变更的推动力，并且对于即将推出的产品和系统解决方案提出一些见解，以支持更高电压的电源总线。

　　需要42V的原因

　　10年前，曾传出一个让人震撼的消息：将推出适于载客汽车的新型电源总线架构。它建议通过三组12V电池组串联得到36V，取代现有的12V电池，使14V电源总线电压提高到42V。这意味着重新建立42V电源及电子总成架构。二十世纪九十年代末，发展42V架构的源动力在于现代汽车界于未来的需要的预测，以及对于更大电力驱动的要求。两个关键因素被认为推动了这种功率增长需要。

　　第一个原因就是车辆内可用的奢侈和舒适系统需求的增长。我们不仅要提高强大的娱乐和信息系统，还有那些需采用更大功率的舒适功能，如电子助力转向系统、主动式悬挂转向系统、强大的取暖元件，包括适用于寒冬的前窗除霜系统，或者适用于温度不断提高的夏季的强大空调系统。而且，我们还不能忽略大型的多种类驾驶辅助系统，长距或短距雷达；超声感应或相机系统，这些都计划用于提高汽车的主动及被动的安全性。

　　第二个重要的提高功率原因，来自于皮带传动系统和电机系统被DC-AC电驱系统取代，如泵、风扇、空调压缩机、液压及助力转向，实现独立于内燃引擎的电机驱动系统。“逆变器”及外围控制系统的明显优势在于转速可控。独立于内燃机的速度，它可最优化驱动，甚至可以根据需要进行开关。一个很好、很明显的示例便是汽车中众所周知的制冷水泵。当汽车高速运行时，水泵提供了极高的制冷功率，此时，高速的水流降低引擎温度。但实际上，在许多情况下，甚至可能不会用到水泵。另一方面，塞车时，当汽车处于静止状态，引擎在热天中空转时，水泵的运行非常慢，很难在没有空调气流的状态下提供足够的制冷。此时正是你希望提高水泵的制冷功率的时候，内燃机中搭载的逆变驱动制冷系统将会通过控制水泵的转速得到所需的制冷量，很容易的解决这一问题。

　　类似皮带水泵驱动系统，还有大量其它机械驱动泵、风扇和压缩机等应用，能通过采用电驱变速电机取得更高效智能的驱动。相应的，汽车的油耗就可降低而提高排放标准。但遗憾的时，用电机驱动取代多个机械驱动系统也会极大的提高交流电机所需要提供的电能功率。

　　综上所述，上面所述提升计划表示出一辆汽车的平均功耗将很快上升且超过传统交流发电机3kW限制限度。看来，考虑到所有这些功耗，最先进的交流发电机都会非常接近其极限值，特别是在恶劣的条件下，在考虑到所有的系统都同时消耗能量时更是如此。最终OEM和Tier1系统供应商开始期望汽车可以供应更高的电能功率。更高功率也就意味着需要更高的电流和电压。正如从简单的欧姆定律中可以获知的，如果我们把电压保持在14V而仅提高电流的话，线缆和开关中的功耗随残余电阻Rcable，switch与电流I2成比例增长：

　　Ploss=I2● Rcable， switch，…

　　所以为了使汽车的效率更高，同时增加娱乐性、安全性和舒适功能并实现更高调速，与提高电流等级相比，提高变速电机电压则是实现增长的更好办法。实际上，通过降低更高电压下的电流要求，甚至还可以降低导通和开关损耗，采用更少的厚铜线缆还意味着汽车的重量更小，所以，总体而言达到了技术上的双赢效果。因此，那时所提倡的逻辑概念是将板网电压从14V提升至42V，而不是在12V的电源总线上运行2-3倍高的电流。

　　商业上的挑战

　　可是，单纯从技术工程的角度讲，这绝对是非常完美的，但却遇到了商业问题。用42V的架构取代14V架构就表示汽车中几乎所有电子元件和系统都要革命性地改变到目前的标准。从功率半导体和开关到IC，从有源元件到传感器，甚至灯泡都需要重新设计并调节到更高的电压水平。那时的汽车还100%的依赖12V/14V元件，而且EMI、噪声等级、过压条件和通过隔离进行的用户保护等都依赖于安全且调制良好的14V架构，电压峰值都控制在40V最大值以下。

　　然而，OEM和汽车供应商进行了前所未有的协作努力，新型42V元件、系统和架构解决方案的开发得到启动并且有了长足发展，但大家很快就会发现42V的取代不可能是无成本的。实际上，可以看到其价格非常昂贵、耗时并且需要更多的资源，才以构建和重新认证42V汽车的架构。终端用户会愿意支付这样的价格吗？

　　很显然市场和终端客户承受42V汽车上的加价是很有限的。用42V电压取代14V电压，没有太多明显的用户价值。所有的舒适功能都必须以任何一种“附加”或“选项”的形式进行支付。但是，最为增加成本的42V系统。无论是14V还是42V的电子系统，对汽车用户而言看不到任何区别。较大马力的发动机或更高的动力系转矩都可能会带来驾驶体验的显著提升，与之不同，整体而言，提升的总成电压并不能提供任何显著、直接、“能感觉到”的超级驾驶感受。因此，42V产品没有显而易见的终端用户值，可以作为营销点或用作良好的附加值卖点。这个问题的根本仍然是最初的预期节能的正向“业务案例”和42V总成提升效率不能为终端客户提高具体投资回报。遗憾的是，42V的概念未能提供一个极具竞争力的价值。而现在的混合动力解决方案不同，通过对交流电机再生的总成能量被良好利用，42V油耗仅实现了很少的、个位数的提升，因此，仅轻微降低了内燃机的能耗。然而，通过采用变速电机，有时单独的系统看起来效率更高，现实应用情况下和实际驾驶条件下，总的整体的提升比理论上所期望的降低很多。由14V至42V总线架构变更所带来的提升未能引发“大的革命性进步。”

　　因此，最终OEM又开始放弃42V的理念。看来，想要重新认证并将42V汽车引入市场将非常困难并且价格高昂，因为市场并不愿意为这些提升的成本买单。当工程师们绞尽脑汁，在实际上提升交换电机的效率和输出功率方面再一次超出所设立的限度时，42V概念最终宣布终结。同时，像MOSFET这样的电源管理器件在性能方面也取得了相当大的提升。半导体开关变得更加高效(见图1和图2)，特别是随着首款Trench MOSFET的推出，它可以实现更高的电流应用，可以在可接受的功耗水平、甚至在14V总成下良好运行。

　　48V兴起

　　大约10年之后的现在，我们又聚焦在OEM和系统供应商所探讨过的——提高总成电压的这个点上。现在正在讨论48V的电源总线，并且接近这个目标，通过降低电流等级和提升电压，更高效的支持那些最需功率的应用和系统。那么，为什么在42V架构失败的10年之后，我们又突然寄希望于48V概念的成功呢？是什么改变了上述为42V汽车所描绘的情形呢？

　　事实上，48V概念与我们在2000年初所讨论的42V的活动有着几项明显的差异。最大的差异是42V概念是基于对14V系统的革命性取代。它差不多算是采用更高压的系统，省去了12V的电池和相应的14V电源总成。48V的概念表明，现在可以考虑一个更具革命性的步骤，可以考虑新增而非取代。当然，48V的成功将需要严格遵循引进和执行的方式。但是确定的是，汽车OEM已经接受了昂贵的42V尝试的教训。因此，48V电压被视为第二条电源线，同时保留着与48V并联的12V电池和相应的14V电源总成。48V电源总线应该仅支持一部分应用，因此，要在更高的功率级上得以应用，需要做出很大努力，例如利用逆变器变速驱动，提高电机的效率来使整个汽车油耗提升并降低排量。同时，所有其它应用和系统仅停留在14V总线上，从而可以允许对于现有高性价比产品的继续使用，而这些产品此前是为14V产品建立和设计的，基本上不会受到48V要求的任何影响。与把汽车中所有的元件都用更高电压总线的产品取代相比，这已经实现了最大的成本节约。48V概念增加了一个电源总线，它通过来源于12V铅酸电池的降压/升压DC-DC转换器来生成。至少在初始阶段，我们并没有去深入调查48V电池，然而，在后面的第二步中，48V的锂电池将是非常有益于能量存储，电源元件与标准的12V电池共存。同时，48V的电压是能够保持60V阙值电压以下的足够低的电压，这是隔离要求的安全限度。超出这一限度，则需要推出安全措施以保护人们避免在遭遇致命事故时触及到车内的电路。

　　另外一个成功因素是在双总成电压方面、尤其是在车载高压应用方面，OEM已经积累了相当多的经验。在汽车中，多重或更高压的架构不再遥不可及，但同时，在基于总线架构的领域中已经建立起完善的解决方案。如图3所示，我们的现代汽车架构目前已经可以适用于许多更高压的领域，例如HID照明、高压压电陶瓷燃油直喷(Piezo-direct fuel Injection)，多种混合动力汽车(HEV)系统类似启-停DC-DC转换器稳定甚至数百伏HEV动力传动系统。所有这些概念都有一个12V电池，或更高电压总线共存的14V总线，二者相互之间很好的隔离开来，并且为车内不同的高压或电压区域供电。

　　第三个成功因素是48V使能系统的显著价值，比10年前所讨论的42V系统所带给客户的优势更加显而易见。仅以启-停功能为例，在城市交通拥堵时，即可实现15%-20%的节油，与之前设立的42V目标值产品相比，对车主而言在节油方面有着更大的影响。而且，发动机在等待交通灯时可以完全关闭，利用电传系统驱动，以保证在发动机停止状态下一些重要系统(如制冷系统、空调系统、加热器等)仍然继续运行。所以，实际上，驾驶员既可体会到48V系统的燃油消耗优势 及汽车驾驶性能优势。

　　最为重要的一点，所有的环保法规和车船消耗规定都迫使采用这些功能，尽管需要一些附加成本，但是与收效甚微的高压系统或采用数百伏电压的全HEV相比，这些成本是微不足道的。所以，整体上讲，实际上48V电源的前景非常可观，它是可支持我们现代环保型汽车的极具优势的可用产品。

　　IR的解决方案

　　然而，从元件和半导体两方面而方，仍然意味着要对汽车产品和器件进行相当多的投资，以保留更高的总成电压。特别是，在电源管理方面，开发合乎48V汽车架构的MOSFET至关重要，也就是说，高效的75V、以及甚至可能的100V-150V MOSFET也将成为48V系统架构的重要成功部分。如图2所示(IR的100V功率MOSFET性能表)，过去20年里，半导体器件的传导和开关损耗已经得到了具大的提升，我们目前仍在不断前进的道路上，以实现更好的硅MOSFET。我们目前的几代产品，甚至将推出更多的MOSFET平台，都将通过适当的电源管理器件，支持OEM和Tier1，这些器件是面向电机应用，实现更高效能量转换和低能耗逆变器所需要。正如我们在图1中所描述的我们的专利型GaN硅片开关发展路线图，适用于在最低损耗下的高速能量转换，从而又增加了新的革命性的提升，并且超越了最新的硅片器件。

　　谈到能量转换，12V电池/48V电压将重点强调双总成架构在这两网之间的高效和低损耗双向转换。这尤其会推动12V←→48V降升压转换器、12V总线稳定器以及可能的多相转换器需求的增长，如图4所示，采用IR公司DC-DC发展路线图、适用于48V应用的产品。最高效率是关键，因此，IR公司目前致力于开发领先的性能，使开关(如图2所示，及在长期的超基准型GaN器件中)将能够以最高效率将能量转换器最少化。然而，能量转换不仅仅是采用HVIC所驱动的低损耗MOSFET的高效模拟功率级的问题。数字电源管理是取得成功的另外一个关键点。在计算机领域，它已经成功的实现了应用，目的是利用诸如IR公司专利型、基于CHIL的数字电源管理器实现的高效多相DC-DC转换。数字电源转换的“魔力”及其强大的潜能将通过IR的专利功率级AU-ConvertiR，并结合我们目前正在开发的ControlliR产品传递到汽车市场。明年，我们很快将会发布一些这方面强大产品性能细节。

　　我们坚信，IR公司基于CHIL的数字控制器战略与我们的多相转换器方法(图4概括出其结构)相结合将实现并支持现代汽车中更高压总线的成功和总成应用。48V不仅可以让汽车更高效，而且还确定是最具前景、最简洁且最具革命性的方法，对于那些仍然更愿意采用固态内燃发动机，但又注重环保效率的驾驶员而言，这将会提供极具竞争力的产品……至少这一优势可以保留至电动汽车成为大众负担得起的更大市场那日为止。

　　Henning M. Hauenstein博士 国际整流器公司 汽车产品业务部副总裁兼总经理

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