一文解讀48V-12V DC-DC 轉換器核心技術

一文解讀48V-12V DC-DC 轉換器核心技術

自1898年汽车首次采用电气照明以来，市场对汽车电气特性和功能的需求日益增长。随着12V系统的局限性逐渐凸显，汽车行业正逐步转向48V系统。这一转变不仅是为了提供更大的电力容量，缩小电线和连接器的尺寸，也是为了支持更多先进的电气功能，并有效降低能耗。

在当前的轻度混合动力汽车（MHEV）中，通常会配备两块电池：一块48V电池和一块传统12V电池。其中，48V-12V DC-DC转换器起到了关键作用，它将这两块电池连接起来，确保电力系统的高效运行。48V电池主要用于支持车辆的高性能需求和节能特性，而12V电池则继续负责为诸如信息娱乐系统、发动机控制系统和安全模块等较低功率的设备供电。这种设计既保证了系统的兼容性，又促进了新技术的应用和发展。

系统目标

48V过去主要应用于内燃机领域，可实现MHEV的启停功能以及其他减排技术，包括电动涡轮增压器、废气再循环（EGR）泵和电加热催化器。

MHEV在提升燃油效率和减少排放的同时，仍能保持人们熟悉的驾驶体验。通过结合内燃机（ICE）与电动机的动力，MHEV为实现全面电动化提供了一种切实可行的过渡方案。

与高压（HV）系统相比，48V系统的一个显著特点是底盘接地。48V系统保留了传统12V系统的简单性、节省成本和屏蔽优势，同时将负载电流降低了4倍。与12V系统相比，由于电压裕量增加，48V系统能够保持更高的功率质量。

48V系统同样是先进驾驶辅助系统（ADAS）和更高级别自动驾驶功能的推动因素。电动助力转向、线控转向和线控制动（X-by-Wire）是功率消耗较大的配件，线控制动系统同时也需要极高的可靠性和功能安全性，并具备冗余设计。

对于像线控转向这类峰值负载较高的装置来说，在48V系统中实现冗余驱动相较于12V系统能够使装置更加轻量化，且更经济。

市场信息及展望

最近，48V配件开始进入市场，应用于纯电动汽车（Battery Electric Vehicle, BEV）中，用于替代现有车辆负载，包括制冷、座舱风扇以及其它不适合采用高压（High Voltage, HV）的高功率配件。

随着48V系统的普及，车辆将混合使用12V、48V和高压（400V/800V，HV）电源网络。48V电源系统实用性逐步提高，传统的12V配件将从系统中最高的负载开始，逐步迁移到48V总线上。传统的12V负载将继续由DC-DC转换器提供电力，这些DC-DC转换器可以来自高压总线或48V电池供电；随着负载向48V迁移，48V系统将成为主流，12V DC-DC转换器的尺寸也将会随着时间逐步减小。

48V轻度混合动力汽车的实施门槛相对较低，汽车制造商可以利用现有的汽车平台进行改造，在其新车型中将48V轻混系统作为标准配置推出市场，从而满足全球用户的需求。MHEV凭借具有成本效益的电动解决方案，成为极具吸引力的用户选项。

全球MHEV市场一直在稳步增长，尽管其增长速度不及纯电动汽车（BEV）和插电混合动力汽车（PHEV）市场。这一趋势表明，消费者开始倾向于使用电网充电的汽车。尽管如此，MHEV因其成本较低，无需充电基础设施且使用方便，仍然在全球电动汽车市场中占有相当大的份额。

2021年全球MHEV市场规模为711.9亿美元，预计到2030年将达到3332.7亿美元，2021年至2030年的复合年增长率（CAGR）为18.5%。2023年的市场规模预计将达到1,003.5亿美元。

亚太地区因车辆销量最高，尤其是中国，占据最大的市场份额。预计至2030年，该地区将以更快的速度增长。许多汽车厂商继续在亚太市场投资，以满足对混合动力汽车的强劲需求。

系统描述

DC-DC 转换器

MHEV 48V系统的主要电子单元包括一个三相逆变器，用于操作启动机/发电机，为48V电池充电；以及DC-DC转换器，用于将12V和48V电源网络结合在一起。

DC-DC转换器可设计为单向或双向，其中单向功能（降压）是必须的。本《系统解决方案指南》假定双工转换器为设计目标。功率级别从1kW到3kW不等，降压模式通常为3kW，而升压模式通常仅1kW。

• 非隔离双向同步升降压是最常见的拓扑结构。双有源桥、CLLC等隔离拓扑也是可行的，但因设计复杂性和较低的电压水平要求而未被广泛采用。隔离拓扑结构在高压到低压转换中非常普遍，在这种情况下，必须隔离电路中的高压和低压部分。
• DC-DC转换器专为12V和48V标称电池电压而设计，但必须能够在标称电压之外运行，因为电压水平会因电池充电状态和其他因素而变化，需要为高于或低于标称电压的工作电压留出空间。
• 为了达到最佳性能，48V电池需要低串联电阻和平缓的放电曲线。电池电压不应随电池充电量发生大幅变化。适合的技术有锂离子电池（Li-Ion）或锂聚合物电池（LiPol）。
• 传统的12V铅酸电池（Pb）也因其在低温下性能更佳、自放电更低以及总体容量成本比等电气优势而被保留在MHEV中。

ISO 21780:2020规定的48V系统电压电平标准

MHEV中的启动-发电机组

现在，启动机和发电机被集成到一个器件中，即集成式启动发电机（ISG）或皮带式启动发电机（BSG）。BSG/ISG装置可实现启停功能、滑行或制动时的能量回收、内燃机运行时产生电能，还可根据系统情况实现电力驱动或增压。

• 在能量回收或发电模式下，BSG/ISG可作为发电机运行，给48V电池组充电。BSG/ISG的主要区别在于其物理位置、与发动机的连接以及在车辆内的集成。这些位置标记为P0至P4。不同的启动发电机集成方案（P0 - P4）都为系统提供了不同程度的能力和设计挑战。
• BSG通常在发动机外部安装，并通过皮带驱动系统连接（P0），适合对现有车辆进行改装。然而，与ISG相比，其效率较低。
• ISG结构紧凑，与发动机和传动系统的集成更紧密（P1-P4），从而提供更快的响应时间和更高的效率。

DC-DC转换器中的MCU和感知系统

MCU充当控制DC-DC转换器的大脑，负责进行必要的动态调整，以实现最佳和高效的功率传输。它持续监控和处理传感器输入，其中最重要的是电压、电流和温度。

DC-DC转换器的输入和输出电压取决于电池及其充电状态。在此应用中，因电电压由电池施加，MCU对输入和输出电压进行监控，而不是调节。无论电池电压如何变化，DC-DC转换器都必须能够在当前工作范围内传输功率。

• MCU可根据电流和电压反馈动态调整PWM占空比和开关频率。这对于保持稳定的输出电压、补偿功率传输变化、减少损耗和确保最佳转换效率至关重要。电流检测对于控制功率流、防止过流和保持在安全运行范围内至关重要。
• 通常采用数字隔离器来保护MCU免受不同接地基准带来的潜在问题的影响，并限制噪声从功率级传播到控制级。隔离栅极驱动器、MCU和功率级有助于管理噪声和电压尖峰传播。不建议在DC-DC转换器中使用光耦合器，因为当暴露在较高温度下时，光耦合器的关键参数会随使用寿命而退化和漂移。（有必要对漂移进行补偿）
• MCU通过车载CAN总线与电池管理系统（BMS）通信，以便调整电池充电状态。MCU必须能够断开转换器，使其在车辆熄火时不消耗能量，并根据48V和12V电池的充电状态以正确的模式唤醒。

大型MHEV车辆中的24V系统

48V轻度混合动力的吸引力不仅限于乘用车，由于共同致力于减少排放，它对商用车和农用（CAV）车也具有重要意义。

轻度混合动力公交车在欧洲越来越受欢迎，可以看到它们被城市采用，在公共交通中取代柴油公交车。

• 在卡车、公共汽车和军用车辆等大型车辆中，车辆的长度和电子负载的功耗是将24V电压作为主电压网络的首要因素。对更高功率的需求、较长电缆导致的铜材料成本增加以及由此导致的压降是使用24V代替12V的部分原因。
• 与小型乘用车中的应用类似，大型车辆的一个关键要求是为较低电压的24V网络供电。乘用型MHEV汽车的DC-DC转换器拓扑结构可在降压模式（将48V降压至24V）和升压模式（升压）下工作，也适用于大型车辆，但在选择元器件时必须考虑更高的性能、功耗和较长电缆的需求。

标准与合规性

符合ISO 26262这一国际功能安全标准，对于开发道路车辆的电气和电子系统至关重要。该标准的主要目标是最大限度地减少由车辆系统故障引发的风险，解决软件故障、传感器错误和硬件故障等潜在危险。

针对电动汽车中的48V系统、元器件及其测试的具体标准已经出现，首个标准是LV148，该标准后来被德国VDA320取代。现行标准为ISO 21780:2020，它取代了VDA320。有关电动汽车安全和测试的其他标准还包括ISO 6469和ISO21498。

• 48V网络的元件冗余对于确保电力系统的可靠性和弹性至关重要。这将是开发和更广泛采用48V系统的一个驱动因素。在单个元件发生故障时，冗余元件可作为备份，防止整个系统中断。这对于关键安全系统（如控制制动、转向和安全气囊系统）尤为重要。
• 安森美（onsemi）作为一家历史悠久的领先汽车产品供应商，深知降低成本的同时还要提高性能和安全性所面临的挑战。安森美在ISO 26262方面的专业知识和实施经验是为客户提供经济高效解决方案的关键，同时绝不牺牲安全性。
• 通过确定集成电路和其他车用元件的安全要求，公司能够提供最佳架构和解决方案。同时关注重要的故障模式及其预防。