汽車行業(yè)正加速向電氣化動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，48V 系統(tǒng)在輕度混合動力和純電動汽車（BEV）中作用日益凸顯。高效的熱管理系統(tǒng)（尤其是電池冷卻系統(tǒng)）對保障汽車性能、延長電池壽命、確保安全至關(guān)重要。不過，設(shè)計穩(wěn)健可靠的 48V 電池冷卻系統(tǒng)仍面臨若干獨特挑戰(zhàn)。本文將深入探討這些挑戰(zhàn)，重點介紹 Allegro 的系列創(chuàng)新解決方案（如 A89224）如何應(yīng)對這些需求，助力先進(jìn)高效熱管理系統(tǒng)發(fā)展。

48V趨勢

采用 48V 系統(tǒng)的一個主要驅(qū)動要素在于功率、電壓和電流之間的基本關(guān)系（P=V×I）。通過將系統(tǒng)電壓從 12V 提升至 48V，輸送相同功率所需的電流可顯著降低。這為熱管理系統(tǒng)帶來了若干關(guān)鍵優(yōu)勢。較低的電流直接意味著線束和電氣元件中的功率損耗降低，此外，若針對 48V 系統(tǒng)進(jìn)行充分優(yōu)化，電機(jī)重量也可減輕。對于泵和風(fēng)扇等高功率負(fù)載而言，可以顯著降低電阻損耗，提升系統(tǒng)整體效率。對于電動和混合動力汽車，熱管理等輔助系統(tǒng)效率的提升有助于延長續(xù)航里程和優(yōu)化能源利用。

高于48V電壓時面臨的挑戰(zhàn)

安全法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)

一旦電壓超過 60V 直流，就不再屬于安全特低電壓 (SELV) 范疇，被認(rèn)為對人體具有危險性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括 IEC 60950、ISO6469、UL、NFPA、OSHA 等。

高昂的絕緣與隔離成本

60V 以上的系統(tǒng)必須具備更強(qiáng)的絕緣和隔離能力，以保障人身安全，這直接導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性和成本上升。

元件供應(yīng)不足

適用于高壓系統(tǒng)的電子元件種類更少、價格更高。

48V標(biāo)稱 ≠ 48V恒定

在 12V/24V 系統(tǒng)中，已有成熟的標(biāo)準(zhǔn) (如 ISO16750、ISO7637) 定義了在最嚴(yán)苛工況下 (如負(fù)載突降、瞬態(tài)電壓等) 的電壓瞬態(tài)曲線。

對于 48V 系統(tǒng)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)(ISO21780和Liefervorschriften [LV] 148) 是專為輕度混合動力汽車 (MHEV) 制定的，定義了高達(dá) 70V 的過電壓點。但在實際應(yīng)用中，若考慮開關(guān)瞬態(tài)電壓或元件設(shè)計裕量 (margining)，元件實際耐壓等級需遠(yuǎn)高于 70V。48V 系統(tǒng)中的元件往往需要滿足 70V 至 80V 的最高電壓要求。48V 系統(tǒng)中的元件往往需要滿足 70V 至 80V 的最高電壓要求。

三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)

設(shè)計高效的 48V 電池冷卻系統(tǒng)時，需要克服以下關(guān)鍵難題：

01更高的電壓裕量要求

在 48V 系統(tǒng)中，電壓瞬態(tài)幅度更高，對元件的承壓能力提出更高要求。為低壓系統(tǒng)設(shè)計的傳統(tǒng) ECU 可能缺乏足夠裕量，導(dǎo)致元件應(yīng)力損傷和失效。

Allegro解決方案：A89224 汽車級 MCU 集成 90V MOSFET 驅(qū)動器，采用 Allegro 110V 晶圓技術(shù)，為系統(tǒng)帶來充足電壓裕量，顯著提升抗瞬態(tài)干擾能力和系統(tǒng)可靠性，增加工程師設(shè)計靈活性。

02平臺適配與小型化限制

汽車 ECU 需適配各種車型平臺，尺寸應(yīng)盡可能緊湊。不同平臺對 ECU 尺寸的要求不盡相同，需要靈活的軟硬件解決方案。此外，還要支持 OTA 升級，并具備大容量數(shù)據(jù)存儲能力。

Allegro 解決方案：A89224 通過高度集成和大容量存儲應(yīng)對，將功能強(qiáng)大的 ARM Cortex-M4 內(nèi)核、90V MOSFET 驅(qū)動器和關(guān)鍵外設(shè)集成到一個芯片上，可實現(xiàn)緊湊型 ECU 設(shè)計，最大支持 248kB 閃存，滿足電機(jī)控制算法、診斷例程與 OTA 升級等多樣化需求。

03可靠性與邊界條件

電池冷卻系統(tǒng)需在各種惡劣工況下 (如極端高溫、強(qiáng)振動、氣流受阻等) 保持可靠運行。即使在風(fēng)道堵塞或其他邊界條件下，ECU 仍需穩(wěn)定起動與維持風(fēng)扇運行，避免熱失控。

Allegro解決方案：A89224 集成精確的 ADC 通道，可準(zhǔn)確感測負(fù)載變化和系統(tǒng)參數(shù)，使 ECU 能檢測氣流受阻或其他異常情況并相應(yīng)調(diào)整風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)；且支持高頻注入（HFI）技術(shù)，即使在挑戰(zhàn)性工況下也能實現(xiàn)風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)啟動和控制。

靈活性與性能并重

ARM Cortex-M4 的可編程內(nèi)核進(jìn)一步提升了靈活性。設(shè)計人員可以配置多種參數(shù)，如 PWM 頻率、死區(qū)時間、電流限值，根據(jù)特定電機(jī)或負(fù)載條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。這種可編程特性使設(shè)計人員能夠?qū)?A89224 進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同車型中泵或風(fēng)扇等多種應(yīng)用場景。

A89224 內(nèi)核支持復(fù)雜的電機(jī)控制算法，如磁場定向控制 (FOC)，從而有效提升電機(jī)效率與性能。這使得 ECU 能夠以更低能耗輸出更大功率。其高速采樣與轉(zhuǎn)換機(jī)制，為 FOC 算法提供了更充足的計算時間，在每個 PWM 占空比更新前完成算法運算，確?？刂凭扰c響應(yīng)速度。

Allegro A89224

在熱管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵優(yōu)勢

寬工作電壓范圍（5.5V 至 90V）

可為 48V 標(biāo)稱電壓提供充足裕量，能承受汽車電氣系統(tǒng)中的電壓瞬變，其抗瞬變能力對嚴(yán)苛汽車環(huán)境中的可靠運行至關(guān)重要，直接解決客戶關(guān)心的關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)。

強(qiáng)大的 ARM Cortex-M4 內(nèi)核&大容量內(nèi)存

（約 256K 高速閃存 + 32K DRAM）

集成 32 位 ARM Cortex-M4 CPU 內(nèi)核與三相柵極驅(qū)動器，閃存讀取速度極快，使 CPU 處理連續(xù)操作指令無需等待。這種高度集成減少對外部元件的需求，可實現(xiàn)更緊湊且可能更低成本的解決方案，與 48V 系統(tǒng)對更高功率密度的需求高度契合。集成的 MCU 具備足夠處理能力，可運行無傳感器磁場定向控制（FOC）等復(fù)雜電機(jī)控制算法，實現(xiàn)對泵和風(fēng)扇的高效精確控制。

集成電流感測放大器與 ADC

內(nèi)置可編程增益的差分電流感測放大器，以及帶 16 通道多路復(fù)用器的 12 位數(shù)據(jù)采集 ADC。這一配置能精確測量電機(jī)相電流，對實現(xiàn) FOC 等先進(jìn)電機(jī)控制算法至關(guān)重要，可優(yōu)化電機(jī)性能、效率及保護(hù)功能。

全面的診斷與保護(hù)功能

集成可編程的診斷和保護(hù)功能，包括欠壓、過壓、過溫和功率橋故障檢測，有助于識別和緩解潛在問題，提高系統(tǒng)可靠性。

汽車級認(rèn)證（AEC-Q100 1 級）

確保在寬溫度范圍的嚴(yán)苛汽車環(huán)境中具有適用性與可靠性。

Allegro其他熱管理解決方案

除 A89224 外，Allegro 還提供全面的產(chǎn)品組合，用于優(yōu)化 48V 汽車系統(tǒng)中的熱管理系統(tǒng)：

電流傳感器

高精度電流傳感器（如ACS37220）可實現(xiàn)對電池電流的精確監(jiān)測，從而準(zhǔn)確控制冷卻風(fēng)扇和泵，保持最佳電池溫度并防止過熱。

隔離式柵極驅(qū)動器

隔離式柵極驅(qū)動器 (如 AHV85110) 可確保對冷卻系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動電路中的功率 MOSFET 進(jìn)行可靠而高效的控制。

電源管理芯片(PMIC)

PMIC (如 A81411) 為冷卻系統(tǒng)中的各種組件提供高效的功率轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓功能，最大限度降低功率損耗并提升系統(tǒng)整體效率。

電機(jī)驅(qū)動器

Allegro 的電機(jī)驅(qū)動器旨在為冷卻風(fēng)扇和泵中使用的無刷直流 (BLDC) 電機(jī)提供可靠而高效的控制。這些驅(qū)動器提供磁場定向控制 (FOC) 和高頻注入 (HFI) 等功能以優(yōu)化電機(jī)性能和效率。

位置傳感器

位置傳感器如 A1330 (2D) 和 A31331 (3D)，可提供精確的非接觸式角度和位置測量，實現(xiàn)精準(zhǔn)反饋和控制。

結(jié)論

高效的熱管理對現(xiàn)代汽車 48V 電池系統(tǒng)的性能、壽命和安全性至關(guān)重要。Allegro 提供整套創(chuàng)新解決方案，專門應(yīng)對設(shè)計穩(wěn)健可靠電池冷卻系統(tǒng)的獨特挑戰(zhàn)。A89224 汽車級 MCU 與該公司的高精度電流傳感器、隔離式柵極驅(qū)動器、電源管理芯片（PMIC）及電機(jī)驅(qū)動器相結(jié)合，能幫助汽車工程師構(gòu)建先進(jìn)熱管理系統(tǒng)，從而最大限度延長電池使用壽命、提升車輛性能，并增強(qiáng)系統(tǒng)整體可靠性。