双电池系统中的互连汽车 48V 和 12V 电源轨

在汽车工业不断发展的进程中，电气化趋势愈发显著，这一变革在很大程度上是由政府对二氧化碳(\(CO_2\))减排标准的推动所致。例如，欧盟设定目标，要求到 2020 年新车辆的\(CO_2\)排放量仅为 95g/km ，中国等其他国家也在制定类似的严格法规。为了满足这些标准，汽车制造商纷纷将目光投向轻度混合动力电动汽车。这类汽车除了配备标准的 12V 汽车电池外，还使用了一个次级高压电池。在这种背景下，双电池系统中的 48V 和 12V 电源轨成为了汽车技术领域的关键研究与应用方向。

德国汽车制造商率先开启了基于 48V 电池的系统设计与构建工作。相较于传统的 12V 电池，48V 电池展现出诸多优势。它能够在更低的电流下输出更高的功率，这意味着在满足车辆电力需求的同时，可以降低电流传输过程中的损耗。而且，由于电流降低，线束所需的规格也可相应减小，从而减轻了线束的重量，在不影响车辆性能的前提下，实现了车辆整体重量的优化。在这一发展过程中，LV148 标准逐渐成为双电池汽车系统的重要起点。

在双电池汽车系统的架构中，12V 和 48V 电源轨各自承担着不同的任务。通常，12V 总线负责为车辆的点火、照明、信息娱乐以及音频系统等提供电力支持，这些系统对于车辆的基本运行和驾乘体验至关重要。而 48V 总线则主要服务于主动底盘系统、空调压缩机、可调悬挂、电子超级电容器 / 涡轮增压机等高性能或高能耗的组件，并且在支持再生制动方面发挥着关键作用。此外，48V 总线还能助力引擎起动，使软起动操作更为平稳，提升了车辆起动过程的舒适性和可靠性。

然而，构建这样的双电池系统并非易事，工程师们面临着诸多挑战。许多汽车原始设备制造商(OEM)的系统要求明确指出，能量必须能够在 48V 轨和 12V 轨之间实现双向传输。这是因为在实际使用中，当任一电池电量耗尽时，需要从另一电池获取能量进行充电;而在某些负载过大的情况下，也需要两个电池协同工作，为相反电压轨提供额外的电力支持。为了确保电池充电过程的安全与高效，控制器必须具备精确控制充电电流的能力。在大多数汽车应用场景中，功率传输的需求并不低，通常在 2kW 至 3kW 的范围内。并且，48V 轨和 12V 轨的电压波动范围较大。依据 LV148 规范，48V 轨的正常电压范围在 36V 至 52V 之间，12V 轨的电压则可能在 6V 至 16V 之间变化。此外，还必须配备完善的保护电路，以应对各种可能损坏系统的故障情况。由此可见，要设计出能够连接 48V 和 12V 轨的 DC/DC 转换器，绝非一项简单的任务。

尽管面临挑战，但通过巧妙的设计思路可以有效简化问题。由于 48V 轨和 12V 轨的电压范围不存在明显重叠，这为电路设计提供了便利。当需要将功率从 48V 轨传输至 12V 轨时，可以采用降压转换器，它能够将较高的 48V 电压降低至适合 12V 系统的电压水平。相反，若要实现从 12V 轨到 48V 轨的功率传输，升压转换器则是合适的选择。考虑到系统对千瓦级功率的需求，为了提高系统效率，每个转换器应采用同步 MOSFET 替代传统的续流二极管。在电力电子领域，降压和升压拓扑结构是较为常见且成熟的技术。然而，若分别设计两个独立的转换器，不仅会占用宝贵的电路板空间，增加系统的复杂性，还会提高成本。通过深入研究可以发现，降压和升压转换器的功率链具有较高的相似性，二者都至少包含两个功率 MOSFET、一个电感器以及一定量的输出电容，它们之间的主要区别在于控制器。在降压拓扑中，受控开关为高侧 MOSFET;而在升压拓扑中，受控开关是低侧 MOSFET。因此，只要选择合适的控制器，通过简单地改变受控开关，就能够在使用相同动力传动系部件的情况下，改变电感器中的电流流动方向，从而实现从两个转换器解决方案向单个转换器解决方案的演进。

在高电流设计中，同步开关虽然是必要的，但仅靠它还不足以解决所有问题。以 2kW 的功率为例，在 12V 电源轨上，电流将导通约 166A。如此大的电流在实际操作中，往往需要采用多相操作来实现设计目标。多相架构具有诸多优势，它能够有效减小组件的物理尺寸，使热管理更加容易。为了便于每个电源相位的并联连接，降压或升压模式操作中的控制方案应采用电流模式控制。此外，多相操作还允许每个相位进行交错切换，即在每个时刻并非所有相位都同时切换，这样可以减少输出纹波，进而有助于降低电磁干扰(EMI)，提高系统的稳定性和可靠性。

在任何汽车电气系统中，保护电路的设计都是至关重要的，它关乎到操作人员的安全以及系统的稳定运行。常见的保护功能，如欠压锁定(UVLO)和过压保护(OVP)，能够确保电池在充电过程中不会出现过充或欠充的情况，避免电池因异常电压而受损。峰值电感器电流限制功能则有助于防止每个电源相承受过大的应力，避免电感器饱和，从而延长组件的使用寿命。在双电池汽车系统中，还需要配备断路器，用于在必要时断开 48V 和 12V 轨道之间的电连接，以防止故障电流的传播。监控电路也是不可或缺的，例如，在能量传输过程中，通过监测每个通道中的电流，可以及时发现是否出现故障状况，为系统的安全运行提供实时保障。

数字控制 DC/DC 转换器曾被视为一种可能的解决方案，但这种方法存在一些明显的缺点。首先，它需要大量的分立元件，包括每相的电流检测放大器、功率 MOSFET 栅极驱动器、保护电路和监控电路等，这些元件会占用印刷电路板(PCB)上大量的宝贵空间。其次，需要高端微控制器来实现转换器的电流和电压控制环路，这增加了系统的成本和复杂性。再者，微控制器在保护电路中可能会引入延迟，在高功率水平下，这种延迟可能会导致灾难性的损坏。此外，数字控制的设计周期较长，通常需要数年时间，并且要求设计人员深入了解开关电源和数字控制技术。不过，数字控制也并非一无是处，从系统级的角度来看，它具有更高的灵活性，能够允许控制方案参数和调节电压进行动态变化，并且可以与其他子系统共享信息，从而提高总体系统性能。

为了解决上述诸多挑战，德州仪器(TI)推出了 LM5170-Q1 同步双相双向降压 / 升压控制器。这款控制器集成了电流检测放大器、高电流栅极驱动器以及系统保护功能，其中包括集成断路器和通道电流监控等。这些集成功能消除了数字解决方案中所需的许多分立元件，大大简化了电路设计。通过并行堆叠多个 LM5170-Q1 控制器，可以实现千瓦级的功率传输，同时借助其专有的平均电流模式控制方案，能够优化对充电电池的电流控制，确保充电过程的高效与安全。

随着汽车电气化和智能化的持续深入发展，双电池系统中的 48V 和 12V 电源轨技术将不断演进和完善。未来，我们有望看到更加高效、智能、集成化的电源管理解决方案，为汽车的性能提升、能源利用效率提高以及安全性增强提供更有力的支持，推动汽车行业向更加环保、智能的方向迈进。