電動(dòng)汽車(chē)電氣化挑戰：48V技術(shù)可有效分配電源

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

　　車(chē)輛OEM必須滿(mǎn)足日益嚴格的CO2排放標準，同時(shí)提高車(chē)輛性能以保持競爭力。純電動(dòng)汽車(chē)（EV），混合電動(dòng)汽車(chē)（HEV）和內燃機汽車(chē)（ICE）的電氣化解決了這一重大挑戰。增加諸如48V，400V和800V之類(lèi)的高壓電池以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的功率需求，反過(guò)來(lái)又增加了功率傳輸架構的復雜性，并且在尺寸和效率方面提出了新的要求。

　　輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（MHEV）系統是電氣化的門(mén)戶(hù)。也被認為是輕型混合動(dòng)力，它們將為混合動(dòng)力模型的指數增長(cháng)做出貢獻。MHEV系統能夠在制動(dòng)過(guò)程中回收車(chē)輛能量，并在車(chē)輛重新啟動(dòng)過(guò)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(dòng)機，使車(chē)輛在電動(dòng)模式下可以100％行駛幾公里。另一個(gè)流行的替代方法是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV），其中電池可以由電網(wǎng)充電，零排放時(shí)的續航里程增加到約50公里。在這種情況下，電氣化程度明顯高于MHEV和混合動(dòng)力技術(shù)（購置成本也更高），市場(chǎng)上有數十種PHEV車(chē)型。

　　電動(dòng)汽車(chē)（BEV）缺少I(mǎi)CE，而是由逆變器和電動(dòng)機的組合提供動(dòng)力。BEV可通過(guò)電網(wǎng)和制動(dòng)再生過(guò)程中充電。在電動(dòng)汽車(chē)中，我們還發(fā)現帶有小型內燃發(fā)動(dòng)機的增程電動(dòng)汽車(chē)（EREV）專(zhuān)門(mén)用作電流發(fā)生器，以在電量不足時(shí)為電池充電。最后一個(gè)類(lèi)別是由氫燃料電池驅動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV）。

圖1：按動(dòng)力總成類(lèi)型劃分的全球預測（來(lái)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(guò)減輕重量和采用新的電氣架構來(lái)提高汽車(chē)效率。

當今的電氣化挑戰

　　“如今，電氣化面臨的挑戰包括：降低成本，實(shí)現積極的CO2排放目標，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(chē)輛，增加功率水平，更快的充電時(shí)間以及管理更高的電壓800V和400V電池系統，”Vicor Corporation汽車(chē)業(yè)務(wù)發(fā)展全球副總裁Patrick Wadden說(shuō)。

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

　　“車(chē)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，并將功率轉換為48伏特，以為諸如電動(dòng)渦輪增壓器，前擋風(fēng)玻璃和冷卻泵之類(lèi)的負載供電。由800或400伏電池供電的系統可以選擇完全省去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(chē)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(mǎn)足豪華車(chē)的入門(mén)級需求?！盬adden說(shuō)。

圖3：從過(guò)載的12V機械電壓轉換為48V（來(lái)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，例如空調和啟動(dòng)時(shí)的催化轉化器。為了提高車(chē)輛性能，該48V系統可以為混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機提供動(dòng)力，該混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機可實(shí)現更快，更平穩的加速，同時(shí)節省燃油。

　　Wadden說(shuō)：“克服對修改長(cháng)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?！彼^續說(shuō)：“對于汽車(chē)行業(yè)而言，48V輕度混合動(dòng)力系統提供了一種方法，可以快速引入排放量更低，續航里程更長(cháng)，油耗更高的新車(chē)，并且具有實(shí)用性。它還提供了令人興奮的新設計選項，以實(shí)現更高的性能和功能，同時(shí)仍減少CO2排放。

　　所使用的絕大多數集中式DC-DC轉換器體積大而笨重，因為它們使用了舊的PWM低頻開(kāi)關(guān)拓撲。要考慮的最新架構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(chē)輛周?chē)^輕的電纜布線(xiàn)的系統級實(shí)現。在使阻抗和電阻最小化方面，將轉換器放置在距離負載最近的位置有一些好處?？梢院?jiǎn)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(shuō)：“通過(guò)更多選擇來(lái)實(shí)現功能安全的選擇以及靈活性都將發(fā)揮作用?！?/p>

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

　　“讓我們看一下集中式系統與分散式系統的高級示意圖。在左側，我們有一個(gè)傳統的3kW銀盒，傳統上帶有400V輸入到12V輸出，可為汽車(chē)中的12V負載供電。右邊是一個(gè)如何在汽車(chē)周?chē)褂?8V的示例：轉換器被放置在負載點(diǎn)的右邊，分散模型消除了大銀盒，并根據需要在車(chē)輛周?chē)峙淞穗娫?。這也允許實(shí)施帶有備用耗材的ASIL FUSA。隨著(zhù)功率需求的增加，管理變得越來(lái)越困難，并且不能繼續添加這些較舊的傳統銀盒，”Wadden說(shuō)。

　　新的48V PDN必須支持具有更高功率要求的傳統12V負載，以及使用電纜的新大功率驅動(dòng)，轉向和制動(dòng)系統。與更大，更笨重的分立解決方案相比，要在越來(lái)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(gè)用于從48V供電的模塊。這些器件包括固定比率和穩壓轉換解決方案，它們在降壓或升壓模式下均支持48V和12V負載。這些轉換器可以包含在單個(gè)外殼中，也可以使用更小，更輕的48V PDN分布在整個(gè)車(chē)輛中。

圖5：使用效率高達94％的傳統轉換器管理功耗（來(lái)源：Vicor）

圖6：Vicor解決方案（來(lái)源：Vicor）

　　當OEM需要在車(chē)輛附近最靠近負載的地方放置電壓轉換級，或者將48V降壓至12V或將12V升高至48V時(shí)，Vicor NBM可用于分散式架構。

　　通過(guò)使用400V和800V充電站，車(chē)輛與任何充電站的兼容性都需要盡可能簡(jiǎn)單但最有效的轉換解決方案。NBM6123采用61 x 23mm CM-ChiP封裝提供6.4kW固定比率的400V和800V轉換，從而實(shí)現了可擴展的，高效率，高密度的解決方案，以實(shí)現路邊充電站與不同車(chē)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換。NBM6123還可以用于在充電過(guò)程中將能量輸送到車(chē)輛以進(jìn)行空調，從而最大程度地減少了電池平衡電路。

結論

　　如今，汽車(chē)電氣化已采取多種形式，而為它們提供動(dòng)力非常復雜。車(chē)輛具有許多不同的系統，每個(gè)系統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，能夠應對眾多挑戰。Vicor的高性能解決方案體積小，重量輕，旨在解決任何系統的電源轉換，充電和傳輸問(wèn)題。