迎来“CASE”时代的汽车趋势和技术课题(1) ～48V系统轻度混合动力车～

“CASE”(Connected、Autonomous、Shared & Services、Electric)已经成为一种新型汽车或移动设备的流行语。在这种情况下，人们提出了前所未有的技术和概念，也遇到了技术方面的各种课题。在本专栏中，我们将从围绕此类汽车的技术趋势中介绍与电子产品相关的主题。
本次是第一次，我们将介绍以欧洲为中心逐渐推广的轻度混合动力车，以及伴随轻度混合动力车的出现增设到传统的12V系统上的48V系统。

由于更严格的废气排放限制而备受瞩目的轻度混合动力车

为了阻止被认为是大规模气候变动原因之一的全球变暖，人们采取了各种各样的举措来减少汽车排放的CO2(二氧化碳)。欧盟对废气排放限制特别严格，针对未来进一步严格的限制，如何应对这种限制将给汽车厂商带来沉重的开发负担。
其中，“轻度混合动力”作为可以在活用传统的汽油动力车或柴油动力车的基本设计的同时减少二氧化碳排放的驱动方式而备受人们的关注。
轻度混合动力车的原理是，配备一个小容量的二次电池和一个辅助性的马达，通过在启动和加速时借助马达的辅助来抑制引擎的油耗，据说通过与怠速停止功能进行组合，它的燃油效率可以提高20%左右。
混合动力车(HEV)和插电式混合动力车被称为“强混合动力车”，在燃油效率方面优于轻度混合动力车，但其结构复杂，需要大量的开发工时。
由于轻度混合动力车可以基于现有的底盘和动力系统进行开发，以德国为中心的众多汽车厂家正在使用轻度混合动力车而不是强混合动力车来应对废气排放限制。日本的部分汽车厂家也在积极研发轻度混合动力车。

通过48V系统提高轻度混合动力的效率

轻度混合动力车的大致构成如图1所示。
其中，与普通汽车相比，构成上的主要差异如下：

新增48V的电器系统；

通过由一个加速时辅助引擎的马达(减速时为交流发电机)、和一个为马达提供电流的二次电池以及其他辅助设备类来构成48V系统；

48V系统和12V系统通过双向DC/DC转换器连接。

图1.48V系统轻度混合动力车的大致构成

其中一点是新增的48V系统。
汽车除了一些大型车辆外，传统上使用12V输出铅酸蓄电池。
而在轻度混合动力车中，在加速时驱动马达的电力和在减速时将马达作为发电机使用回收的电力都很大，若在12V系统上构成，电流值将达到数百A（安培）。
此外，由于铅酸蓄电池不能快速充放电，还有传统的12V系统本来就不适合轻度混合动力车这个问题。此外，动力转向等部分辅助设备的大容量化，在12V系统上受到限制，因此要求供给更高的电压。
在这种情况下，有别于12V系统，为了重新设计适合于轻度混合动力车的电压系统而提出了48V系统的方案。
如果将电压增大4倍，则供给相同电力时的电流只要1/4即可，线束上的损耗减小，无需使用粗重的线束。此外，48V作为电压并不算高，所以易于构成一个包括安全对策在内的电路。

轻度混合动力车和48V化并非等同，但由于这个背景，通常成对使用12V和48V。当然，还包括由48V以外的电压构成的轻度混合动力车。

汽车加速时和减速时轻度混合动力车的动作

汽车加速时和减速时轻度混合动力车的大致动作如下所示。

加速时
通过使用二次电池的电力驱动马达并辅助加速来减少引擎的燃油消耗，提高燃油效率。(图2)

减速时
将马达用作交流发电机，在二次电池中存储能量。同时，还进行12V系统铅酸蓄电池的充电。这就是所谓的再生制动方式。(图3)

构成轻度混合动力车的马达不只是辅助加速，而且在减速时也起到发电机(交流发电机)的作用。该装置也被称为ISG(Integrated Starter Generator，集成起动发电机)，因为它经常兼作起动马达的功能。
二次电池的作用是在短时间内将马达减速时产生的电力储存起来，并在马达加速时瞬间提供马达所需的电力。汽车上安装的12V输出的铅酸蓄电池不能快速充放电，所以轻度混合动力车上主要使用特性优异的锂离子电池。当然，它不需要像强混合动力车那样大的容量。

将12V系统和48V系统连接起来的双向DC/DC转换器

从电子产品的角度来看，轻度混合动力车的一个独特组件是双向DC/DC转换器。它的作用是将现有的12V系统与由马达、二次电池、其他辅助设备构成的48V系统连接起来。
＜12V→48V升压动作＞ 在用12V铅酸蓄电池驱动48V系统的辅助设备时，或二次电池充电水平不足以辅助动作，在从12V系统的铅酸蓄电池给二次电池充电时，进行升压动作。
＜48V→12V降压动作＞ 在用48V系统的马达(交流发电机)产生的再生电力给12V铅酸蓄电池充电时进行降压动作。

图4列出了最简单的双向DC/DC转换器的构成示例，该转换器组合了降压斩波电路和升压斩波电路。

图4.12V/48V双向DC/DC转换器的构成示例

车载ECU中安装的开关电源(DC/DC转换器)，如 “电源电路的基础知识(3)～开关稳压器的设计步骤～” 和 “电源电路的基础知识(4)～面向ECU的电源电路设计要点～”中所述，基本上可由市售的开关电源IC构成。找元器件现货上唯样商城
另一方面，因必须在监控12V系统和48V系统状态的同时精细控制从12V系统向48V系统的升压动作和从48V系统向12V系统的降压动作；功率容量大到数kW至10kW以上；除非由于大容量实现极高的效率否则会面临发热(损耗)课题等理由，轻度混合车的双向DC/DC转换器使用DSP (Digital Signal Processor，数字信号处理器)等数字电路进行开关动作控制，即安装所谓的数字电源已成为主流。
在设计12V和48V的双向DC/DC转换器或连接于48V系统的辅助设备类时，需要注意电子零部件的额定电压。LV 148标准规定48V系统的电压范围为36V～52V，过电压上限为60V，因此最好选定在预期工作温度范围内作为额定值保持60V以上的电子零部件。

下次，我们将介绍安装在电动汽车等上的蓄电池和外围电路。

图2.轻度混合动力车加速时的动作示例

审核编辑 黄宇