先進電動汽車的電壓轉(zhuǎn)換策略 在48V電動汽車供電網(wǎng)絡(luò)中部署區(qū)域架構(gòu)

為了滿足先進汽車系統(tǒng)的需求，減輕重量，減少占用的空間，采用 48V 區(qū)域架構(gòu)已成為一種有吸引力的選擇。

汽車系統(tǒng)正遷移到更高電壓

48V 系統(tǒng)的功率和重量優(yōu)勢

在電動汽車中部署區(qū)域電源架構(gòu)

汽車的發(fā)展一直處于顛覆性變化和增長的狀態(tài)，且沒有放緩的跡象。從汽車如何移動，到如何與乘客及其他車輛互動，每一個方面都在發(fā)生變化。這一點不僅適用于汽車本身，還適用于周圍的社會基礎(chǔ)設(shè)施，從電動汽車充電系統(tǒng)到智慧城市的互動。

在汽車電氣化方面，切換動力來源并用電機驅(qū)動車輛是簡單直接的方面。但要開發(fā)下一代電動汽車，必須全面考慮整車的設(shè)計。

例如，在依靠內(nèi)燃機驅(qū)動車輛的傳統(tǒng)燃油車中，通常有一個交流發(fā)電機或發(fā)電機組，發(fā)電量通常超出汽車所需的平均水平。這些系統(tǒng)通常根據(jù)具體設(shè)計提供低至 12V 或 24V 的電源。

因此，汽車電源設(shè)計工程師的工作相對簡單，他們大致知道汽車需要多少電力，并且知道這不會限制車輛的行駛距離或速度。然而，對于現(xiàn)在的電動汽車，情況突然發(fā)生了變化，開燈或聽收音機會影響到續(xù)航里程。這就迫使汽車設(shè)計師進行權(quán)衡，因為電池中的電力既要用于驅(qū)動車輛，也會用于其他用途，這樣會縮短續(xù)航里程。

為什么說更高的電壓對現(xiàn)代電動汽車系統(tǒng)至關(guān)重要

現(xiàn)代電動汽車的一個重要方面是它們使用更高的電壓，通常為 400V 或 800V。高壓是一種安全隱患，因此車輛設(shè)計師必須考慮高壓區(qū)域與接觸點或司乘人員所在位置的關(guān)系。

大多數(shù)電動汽車的車內(nèi)工作電壓為 12V。盡管多年來 48V 一直是汽車界的目標(biāo)，但這需要設(shè)計全新的發(fā)電機，以及 48V 泵、壓縮機、雨刷電機等，因此其發(fā)展一再被延誤，直到最近才有所改觀。

現(xiàn)在，汽車行業(yè)可以開始在車輛配電網(wǎng)絡(luò)中利用 48V 的優(yōu)勢。然而，汽車設(shè)計的核心最終仍然歸結(jié)為汽車行業(yè)的兩個關(guān)鍵詞：成本和重量（見圖 1）。48V 系統(tǒng)的優(yōu)勢在于主電纜更小，銅用量更少，意味著它們重量更輕，成本更低。另一個優(yōu)勢是這些電纜的線徑要小得多，因此車內(nèi)的物理布線更加容易。

圖 1：成本和重量是汽車原始設(shè)備制造商考慮的主要因素。48V 系統(tǒng)的優(yōu)勢在于主電纜更小，銅用量更少，這意味著汽車重量更輕，成本更低。另一個優(yōu)勢是這些電纜的線徑要小得多，因此車內(nèi)的物理布線要容易得多。

采用 48V 電源架構(gòu)，再加上區(qū)域電源架構(gòu)的出色能力，我們就可以使用三或四個區(qū)域控制器最大限度地減少控制系統(tǒng)和通信電纜，而不是將數(shù)十個芯片分散安裝在整個車輛中。這樣還可以幫助設(shè)計師將最大的負載先轉(zhuǎn)換為 48V，從而降低開發(fā)和驗證新的 48V 雨刷電機或前端照明系統(tǒng)的成本。

在配電網(wǎng)絡(luò)中實施區(qū)域架構(gòu)，就可以靈活地將部分負載轉(zhuǎn)換到 48V，同時在汽車的前后端及信息娛樂系統(tǒng)中仍使用 12V 電源。在這種混合配電系統(tǒng)中，核心電源為 48V，只是在需要時在局部轉(zhuǎn)換為 12V。這就像嵌入式系統(tǒng)中使用的最新板級配電架構(gòu)。

電動汽車的電壓轉(zhuǎn)換策略

面對將高壓（HV）（800V 或 400V）轉(zhuǎn)換為 48V，再轉(zhuǎn)換為 12V 的挑戰(zhàn)，有幾種解決方法。傳統(tǒng)方法使用大量分立元件，占用的空間非常大。現(xiàn)在，一種新方法是利用高功率計算系統(tǒng)中采用的微型化技術(shù)，并將其改造用于汽車，以滿足汽車的所有電壓轉(zhuǎn)換需求。

將電壓降至 48V 時的一個問題是如何為終端負載（無論是非穩(wěn)壓負載還是穩(wěn)壓負載）提供所需的電力。另一個方面是如何管理能量回收制動系統(tǒng)的發(fā)電。在這個環(huán)節(jié)，雙向轉(zhuǎn)換解決方案非常重要，以便將能量回收制動系統(tǒng)發(fā)出的 48V 電回饋到電路和電池中。

這一點也適用于其他高級子系統(tǒng)，如具有能量回收功能的主動懸掛和主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它們可能需要 48V 電壓，也可能將 48V 電壓反饋回電池。

例如，Vicor 的 BCM母線轉(zhuǎn)換器本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能。它們可以在無需控制步驟的情況下完成升壓或降壓，自動從降壓切換到升壓，或從升壓切換到降壓。這些轉(zhuǎn)換器可以感知想要的電流方向并做出反應(yīng)。

Vicor 的 BCM 是高密度、高效的固定比率（非穩(wěn)壓）隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊，采用 ChiP或 VIA 封裝。這種設(shè)計簡化了冷卻，同時提供 PMBus控制、EMI 濾波和瞬態(tài)保護功能。

它們的輸入電壓為從 800V 到 48V，支持各種 K 因子，以支持包括汽車在內(nèi)的多種應(yīng)用。利用 Vicor 公司的的正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）拓撲，高壓 BCM ChiP 能夠?qū)崿F(xiàn) 98% 的峰值效率，功率密度高達 147,000W/l3。這些 BCM 可以輕松并聯(lián)成高功率陣列，且輸出可以串聯(lián)以實現(xiàn)更高的輸出電壓。BCM 本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能，使設(shè)計人員能夠減少負載所需的大容量電容。

因此，系統(tǒng)如何在車內(nèi)完成降壓、升壓和切換非常重要，特別是當(dāng)考慮家庭到車輛到家庭、車輛到電網(wǎng)到車輛等先進應(yīng)用時尤其如此。汽車的電力電子設(shè)備必須繼續(xù)發(fā)展，以支持這些需求和其他新興的跨平臺功能。

另一個例子是 NBM系列固定比率（非穩(wěn)壓）、非隔離雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些模塊提供了一個完整的 DC-DC 解決方案，且不需要外部輸入濾波器或大容量電容。NBM2317 具備內(nèi)置熱插拔功能和浪涌電流限制，且其低輸出阻抗可支持快速瞬態(tài)響應(yīng)。NBM 系列轉(zhuǎn)換器采用通孔轉(zhuǎn)換器封裝（ChiP）和表面貼裝（SM-ChiP）封裝。

48V 系統(tǒng)的功率和重量優(yōu)勢

線束的重量是向 48V 汽車過渡的一個重要驅(qū)動因素，也是向 48V 子系統(tǒng)和電機過渡的眾多技術(shù)優(yōu)勢之一。電壓越高，電機越強大、越節(jié)能，并且可以幫助縮減主電源線的尺寸。這樣還可以大幅度節(jié)約成本，因為車輛線束的電線長度可能長達數(shù)百英尺。而且，更細、更輕的線束也更容易集成到車輛及其子系統(tǒng)中。

除了減輕主配電網(wǎng)絡(luò)和線束的重量外，它還可以改善熱管理，因為系統(tǒng)的效率更高，散發(fā)的熱量更少。在電動汽車中，熱管理對于保持電池冷卻非常重要，因為電池對溫度非常敏感。此外，如果能夠有效地管理溫度，避免系統(tǒng)內(nèi)部故障和失效，其他電氣系統(tǒng)的運行壽命會更長。

如果能夠通過提高效率節(jié)省 100 瓦的功率，那么對燃油車來說可以將每公里的二氧化碳排放減少 1 克，或者將電動汽車的續(xù)航里程增加多達 10 公里。

在 48V 電動汽車供電網(wǎng)絡(luò)中部署區(qū)域架構(gòu)

在采用 800V 饋電的區(qū)域架構(gòu)中，我們可以在車頭到車尾的整個網(wǎng)絡(luò)中進行單次轉(zhuǎn)換，將電壓降低到 48V。而在車輛中負載所在的位置上，我們可以在本地將 48V 電壓降壓到 12V。您只需左前和右前兩個區(qū)域，而無需使電線貫穿整個車輛。然后，您可以將負載連接到這些區(qū)域。隨后，在車輛后部使用 48V 主系統(tǒng)進行相同的操作，并連接本地 12V 負載。這樣還可以使整個汽車的設(shè)計更加靈活，可以滿足未來需求，在車輛遷移到其他電壓和功率水平時適應(yīng)各種變化。

例如，想象一個基于 Vicor BCM、DCM和 PRM設(shè)備的區(qū)域架構(gòu)——這些設(shè)備在一個陣列中工作（見圖 2）。它們可以相互通信并共享電流，以避免出現(xiàn)一個設(shè)備過載而另一個設(shè)備負載不足的情況。這樣就可以更輕松地擴大或縮小電源系統(tǒng)的規(guī)模，而無需進行大量重新設(shè)計工作。

圖 2：48V 區(qū)域架構(gòu)（右側(cè)）可以縮減尺寸和重量，同時提高能效。例如，線規(guī)可以從 10 號線縮小到 4 號線，進而大大減輕重量，簡化設(shè)計。通過將 Vicor DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器分散到不同區(qū)域，還可以大幅度減少散熱，減輕冷卻系統(tǒng)的負載。最終，與集中式架構(gòu)（左側(cè)）相比，功率損耗可以減少 60%。

這種方法也適用于系統(tǒng)中仍有一個小型 12V 電池以滿足功能安全要求的車輛——確保車輛的智能部分正常運行以保證安全狀態(tài)。

因此，通過這三種設(shè)備，系統(tǒng)可以將高壓 800V 電池的電壓轉(zhuǎn)換為 48V，而且可以進一步降壓到穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓的 12V 電壓。該技術(shù)的優(yōu)勢之一是零電壓開關(guān)，瞬態(tài)電流可達到每秒數(shù)百萬安培。

由于開關(guān)速度非?？?，系統(tǒng)可以從高壓電池快速為負載供電，就像它們帶有額外的低壓電池一樣。制造商可以將節(jié)約下來的空間和重量用于其它目的。

電氣化將使原始設(shè)備制造商能夠?qū)⑵滠囕v過渡到 48V 的配電網(wǎng)絡(luò)，利用 Vicor 的高功率密度 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊等技術(shù)創(chuàng)建 48V 系統(tǒng)。區(qū)域架構(gòu)可實現(xiàn)面向未來的設(shè)計，幫助根據(jù)當(dāng)前和未來的功率需求進行相應(yīng)的擴展或縮減。