電動汽車電氣化挑戰(zhàn)：48V技術(shù)可有效分配電源

電動汽車（電動汽車）也許是近年來科技公司和消費者必須面對的最重大挑戰(zhàn)之一。雖然越來越需要找到可以徹底改變我們前進方式的環(huán)保系統(tǒng)，但也需要確保新的綠色技術(shù)在價格和性能方面盡可能高效。

車輛OEM必須滿足日益嚴格的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)，同時提高車輛性能以保持競爭力。純電動汽車（EV），混合電動汽車（HEV）和內(nèi)燃機汽車（ICE）的電氣化解決了這一重大挑戰(zhàn)。增加諸如48V，400V和800V之類的高壓電池以滿足不斷增長的功率需求，反過來又增加了功率傳輸架構(gòu)的復(fù)雜性，并且在尺寸和效率方面提出了新的要求。

輕度混合動力電動汽車（MHEV）系統(tǒng)是電氣化的門戶。也被認為是輕型混合動力，它們將為混合動力模型的指數(shù)增長做出貢獻。MHEV系統(tǒng)能夠在制動過程中回收車輛能量，并在車輛重新啟動過程中提供能量，從而減少了汽油消耗和二氧化碳排放量。

HEV模型的第二種電氣化方法包括與ICE一起工作的電動機，使車輛在電動模式下可以100％行駛幾公里。另一個流行的替代方法是插電式混合動力汽車（PHEV），其中電池可以由電網(wǎng)充電，零排放時的續(xù)航里程增加到約50公里。在這種情況下，電氣化程度明顯高于MHEV和混合動力技術(shù)（購置成本也更高），市場上有數(shù)十種PHEV車型。

電動汽車（BEV）缺少ICE，而是由逆變器和電動機的組合提供動力。BEV可通過電網(wǎng)和制動再生過程中充電。在電動汽車中，我們還發(fā)現(xiàn)帶有小型內(nèi)燃發(fā)動機的增程電動汽車（EREV）專門用作電流發(fā)生器，以在電量不足時為電池充電。最后一個類別是由氫燃料電池驅(qū)動的燃料電池電動汽車（FCEV）。

圖1：按動力總成類型劃分的全球預(yù)測（來源：Vicor / HIS）

該解決方案不僅可以用于固態(tài)電池或氫燃料電池等新能源存儲技術(shù)，還可以通過減輕重量和采用新的電氣架構(gòu)來提高汽車效率。

當(dāng)今的電氣化挑戰(zhàn)

“如今，電氣化面臨的挑戰(zhàn)包括：降低成本，實現(xiàn)積極的CO2排放目標(biāo)，管理電源要求的變化，為舊的12V負載供電，交付更輕，性能更高的車輛，增加功率水平，更快的充電時間以及管理更高的電壓800V和400V電池系統(tǒng)，”Vicor Corporation汽車業(yè)務(wù)發(fā)展全球副總裁Patrick Wadden說。

汽車，卡車，公共汽車和摩托車的制造商正在迅速使他們的車輛電氣化，以提高內(nèi)燃機的燃油效率并減少CO2排放量。電氣化選擇很多，但是大多數(shù)制造商都選擇48伏輕度混合動力系統(tǒng)，而不是全混合動力總成。在輕度混合動力系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的12V電池外，還增加了48V電池。

“車輛中裝有800伏或400伏電池。Vicor從電池中獲取800或400伏特的電壓，并將功率轉(zhuǎn)換為48伏特，以為諸如電動渦輪增壓器，前擋風(fēng)玻璃和冷卻泵之類的負載供電。由800或400伏電池供電的系統(tǒng)可以選擇完全省去48V電池并創(chuàng)建虛擬48V電池。消除了48V電池，為OEM提供了更高的功率密度，減輕了重量和尺寸，所有這些都使車輛的行駛范圍得以擴展。這些解決方案具有可擴展性，因此可以滿足豪華車的入門級需求?！?Wadden說。

圖3：從過載的12V機械電壓轉(zhuǎn)換為48V（來源：Vicor）

48V技術(shù)可有效分配電源

48V技術(shù)將電源能力提高了4倍（P = V?I），可用于較重的負載，例如空調(diào)和啟動時的催化轉(zhuǎn)化器。為了提高車輛性能，該48V系統(tǒng)可以為混合動力發(fā)動機提供動力，該混合動力發(fā)動機可實現(xiàn)更快，更平穩(wěn)的加速，同時節(jié)省燃油。

Wadden說：“克服對修改長期成本優(yōu)化的12伏輸電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn)?！彼^續(xù)說：“對于汽車行業(yè)而言，48V輕度混合動力系統(tǒng)提供了一種方法，可以快速引入排放量更低，續(xù)航里程更長，油耗更高的新車，并且具有實用性。它還提供了令人興奮的新設(shè)計選項，以實現(xiàn)更高的性能和功能，同時仍減少CO2排放。

所使用的絕大多數(shù)集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器體積大而笨重，因為它們使用了舊的PWM低頻開關(guān)拓撲。要考慮的最新架構(gòu)是使用電源模塊的分散式電源傳輸（圖4）。

“使用分散模型的好處甚至可以在車輛周圍較輕的電纜布線的系統(tǒng)級實現(xiàn)。在使阻抗和電阻最小化方面，將轉(zhuǎn)換器放置在距離負載最近的位置有一些好處。可以簡化冷卻方法，在某些情況下可以消除冷卻板或液體冷卻。Wadden說：“通過更多選擇來實現(xiàn)功能安全的選擇以及靈活性都將發(fā)揮作用。”

這種電源傳輸架構(gòu)使用較小的低功耗48V至12V轉(zhuǎn)換器。分散式電源架構(gòu)在電源系統(tǒng)中提供了顯著的熱管理優(yōu)勢。

“讓我們看一下集中式系統(tǒng)與分散式系統(tǒng)的高級示意圖。在左側(cè)，我們有一個傳統(tǒng)的3kW銀盒，傳統(tǒng)上帶有400V輸入到12V輸出，可為汽車中的12V負載供電。右邊是一個如何在汽車周圍使用48V的示例：轉(zhuǎn)換器被放置在負載點的右邊，分散模型消除了大銀盒，并根據(jù)需要在車輛周圍分配了電源。這也允許實施帶有備用耗材的ASIL FUSA。隨著功率需求的增加，管理變得越來越困難，并且不能繼續(xù)添加這些較舊的傳統(tǒng)銀盒，” Wadden說。

新的48V PDN必須支持具有更高功率要求的傳統(tǒng)12V負載，以及使用電纜的新大功率驅(qū)動，轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)。與更大，更笨重的分立解決方案相比，要在越來越多的負載下提供更多的48V電源，就需要高密度的模塊。Vicor提供了多個用于從48V供電的模塊。這些器件包括固定比率和穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換解決方案，它們在降壓或升壓模式下均支持48V和12V負載。這些轉(zhuǎn)換器可以包含在單個外殼中，也可以使用更小，更輕的48V PDN分布在整個車輛中。

圖5：使用效率高達94％的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器管理功耗（來源：Vicor）

圖6：Vicor解決方案（來源：Vicor）

當(dāng)OEM需要在車輛附近最靠近負載的地方放置電壓轉(zhuǎn)換級，或者將48V降壓至12V或?qū)?2V升高至48V時，Vicor NBM可用于分散式架構(gòu)。

通過使用400V和800V充電站，車輛與任何充電站的兼容性都需要盡可能簡單但最有效的轉(zhuǎn)換解決方案。NBM6123采用61 x 23mm CM-ChiP封裝提供6.4kW固定比率的400V和800V轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了可擴展的，高效率，高密度的解決方案，以實現(xiàn)路邊充電站與不同車輛之間的兼容性。Vicor解決方案的雙向功能允許同一模塊用于升壓或降壓轉(zhuǎn)換。NBM6123還可以用于在充電過程中將能量輸送到車輛以進行空調(diào)，從而最大程度地減少了電池平衡電路。

結(jié)論

如今，汽車電氣化已采取多種形式，而為它們提供動力非常復(fù)雜。車輛具有許多不同的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)可能具有不同的功率要求。模塊化電源方法本質(zhì)上具有更大的靈活性和可擴展性，能夠應(yīng)對眾多挑戰(zhàn)。Vicor的高性能解決方案體積小，重量輕，旨在解決任何系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換，充電和傳輸問題。
編輯：hfy