純電動(dòng)汽車(chē)有一個(gè)傳統方案無(wú)法解決的重量問(wèn)題

純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 有嚴重的重量問(wèn)題，這種問(wèn)題Weight Watchers^?無(wú)法解決。

許多純電動(dòng)汽車(chē)比內燃機汽車(chē) (ICE) 重33%。美國國家運輸安全委員會(huì )主席指出：“福特F-150 Lightning比非電動(dòng)版本重2000 到3000 磅?！绷硗?，美國國家經(jīng)濟研究局 (National Bureau of Economic Research) 發(fā)現，車(chē)輛每增加1,000 磅，事故死亡風(fēng)險就會(huì )增加約47%。

因此，汽車(chē) OEM 廠(chǎng)商在嘗試設計續航里程更長(cháng)、安全性更高和電子內容更多的純電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，面臨嚴峻的限制條件。這是該行業(yè)有史以來(lái)面臨的最嚴峻研發(fā)挑戰之一。

盡管面臨巨大的挑戰，但如果電動(dòng)汽車(chē)中的傳統超重供電網(wǎng)絡(luò )(PDN) 被48 V 區域架構取代，其中48 V 母線(xiàn)取代原有12 V 系統，則可減少OEM 廠(chǎng)商、消費者和立法者的這些擔憂(yōu)。部署由高密度電源模塊支持的區域架構，將以3 種方式減輕重量。這種新架構將實(shí)現從粗線(xiàn)束到細線(xiàn)束的過(guò)渡，可將線(xiàn)束重量減少85%。此外，低壓輔助電池可拆除并使用電源模塊進(jìn)行虛擬化，從而可完全消除電池重量。最后，使用電源模塊進(jìn)行PDN升級，可優(yōu)化熱管理系統，從而將其重量減少33%。

因此，采用分布式架構替代傳統集中式架構 ，可顯著(zhù)減輕重量，還可提高整體電力系統效率。

1 采用48 V：對于純電動(dòng)汽車(chē)而言，是一項明顯和期盼已久的改進(jìn)在每個(gè)設計周期，新車(chē)都會(huì )增加安全、安防和自動(dòng)

駕駛等新電子產(chǎn)品。每個(gè)額外的功能都會(huì )增加功耗，使用固定標準化電池已轉化為電流的指數級增長(cháng)。從電流趨勢來(lái)看（圖1），集中式架構PDN 是不可持續的。要恢復可持續電流水平并最大限度減少線(xiàn)束重量的同時(shí)，滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的電力需求，唯一的方法就是使用區域架構將工作電壓提高至48 V。

圖1 轉換為48 V系統，會(huì )將車(chē)輛總電流從250 A 以上降至75 A以下，不會(huì )影響車(chē)輛電氣性能。自1908年以來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)電子設備的增加，汽車(chē)電流需求已呈指數級增長(cháng)。20世紀60年代，OEM廠(chǎng)商將電壓從6 V提高到12 V，導致電流在60年首次減少。盡管現在需要更大的電流，但大多數OEM廠(chǎng)商仍然使用12 V母線(xiàn)。2023年，特斯拉成為首家宣布在整個(gè)汽車(chē)中全面采用 48 V母線(xiàn)的OEM廠(chǎng)商，這將大大降低電流需求。

當前的純電動(dòng)汽車(chē)由主高壓電池（通常為400 V 或800 V）供電，不僅需要為電動(dòng)牽引電機供電，而且還需要為大量低壓負載供電，如空調、加熱座椅和信息娛樂(lè )系統等。PDN 會(huì )將高壓降至48 V 及12 V 輔助電池電壓，為這些子系統供電。

根據歐姆定律，轉而采用 48V 分布式架構將帶來(lái)一個(gè)機會(huì )：。功率輸出相同時(shí)，12 V 電源需要的電流是48 V 電源的四倍。因此，12 V 導線(xiàn)一般也比48 V 導線(xiàn)粗四倍。

2 12 V集中式架構的消亡

自20世紀60年代以來(lái)，12 V 集中式系統一直是汽車(chē)使用的傳統電源架構。該架構由一個(gè)龐大的銀盒外殼組成，其中包含一系列分立式組件，例如所有將高壓(HV) 轉換成48 V 至12 V 的DC-DC 轉換器等。這個(gè)系統需要使用粗重的導線(xiàn)將12 V 電流傳輸至負載點(diǎn)。

此外，由于傳統的DC-DC 轉換效率低，這種集中式電源系統會(huì )從銀盒產(chǎn)生大量熱量，通常需要密集的液冷，這會(huì )增加更多的重量。

要過(guò)渡到48 V，可在端點(diǎn)位置使用高密度電源模塊，以便在負載點(diǎn)高效轉換為12 V。這使OEM 廠(chǎng)商能夠隨著(zhù)時(shí)間的推移，高度靈活地逐漸將12 V 負載器件過(guò)渡到48 V。這有助于在對系統架構干擾最小的情況下，快速實(shí)現使用48 V 的優(yōu)勢。

3 48 V分布式架構降低熱損耗、減少電流

這種新穎的48 V分布式架構系統利用了歐姆定律，是行業(yè)轉變的典范，其中 DC-DC 轉換發(fā)生在更靠近負載點(diǎn)的位置，而不是在中央銀盒內完成。在該方案中，高壓至48 V 的轉換有助于將安全的48 V 用作整個(gè)車(chē)輛的母線(xiàn)電壓。48 V 至12 V 的轉換在負載點(diǎn)位置進(jìn)行。通過(guò)48 V 而非12 V 傳輸電流，導線(xiàn)可以更細、更輕，很明顯，成本也會(huì )更低（圖2）。這種更細、更靈活的導線(xiàn)也更容易在車(chē)內布局。此外，這種方法可將與DC-DC 轉換器有關(guān)的熱損耗均勻地分布在整個(gè)車(chē)上，從而可使用安裝在底盤(pán)上的熱傳導及空氣對流散熱系統的潛能。

圖2 當今汽車(chē)有兩種不同的PDN：12 V集中式架構和快速發(fā)展的48 V分布式架構。前者采用12 V粗線(xiàn)束，后者采用48 V細線(xiàn)束，細線(xiàn)束重量更輕，減少了熱損耗，而且將電流降至1/4。

4 計算減少的重量

48 V 分布式架構不僅可更好地支持純電動(dòng)汽車(chē)日益增長(cháng)的動(dòng)力需求，同時(shí)還可采用3 種方法減輕汽車(chē)重量

1.線(xiàn)束：重量銳減約 85%

升級到48 V 分區架構，意味著(zhù)傳統的273 克/ 米的12 V、4 號電線(xiàn)將被27 克/ 米的48 V、10 號電線(xiàn)取代。這可減輕大約85% 的導線(xiàn)重量。

2.輔助蓄電池取消：重量減少~100%

電源模塊的分布式架構可加速DC-DC 轉換器的瞬態(tài)響應，從而創(chuàng )建虛擬電池。因此，12 V/48 V 分布式電源模塊不僅可復制12/48 V 低壓電池的特征，同時(shí)完全消除了物理12 V 電池，減輕了100% 的重量。

圖3 電源模塊可實(shí)現比12 V鉛酸電池更快的瞬態(tài)響應，從而創(chuàng )建虛擬電池，可取代傳統的笨重12 V電池。

5 電源系統優(yōu)化：重量減輕約 33%

用區域系統取代集中式系統，可將48 V 至12 V 電源轉換從銀盒移至負載點(diǎn)。改進(jìn)后采用高密度電源模塊提供48 V 輸出的電源系統盒將縮小達33%。因此，外殼重量可減輕多達三分之一(33%)。

在傳統12 V 集中式系統中，分立式組件會(huì )在其銀盒外殼內產(chǎn)生環(huán)境高溫。采用高密度電源模塊的電源系統盒產(chǎn)生的熱量較少，而且負載點(diǎn)模塊可在底盤(pán)上進(jìn)行高效的通風(fēng)散熱。這些改進(jìn)可使液冷系統瘦身 7%。

圖4 使用電源模塊和分布式架構時(shí)，可縮小集中式外殼，因為在48 V轉換為12 V負載的端點(diǎn)可以更高效地散熱。

6 化重量為機遇

OEM廠(chǎng)商可使用分布式架構獲得各種優(yōu)勢。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，請考慮減輕重量對增加行駛里程的影響。車(chē)輛越重，能耗就越大，行駛里程也就越短。然而，如果將其用來(lái)增加電池尺寸，額外的重量就可降低對續航里程的影響。額外的電池提供更多的能量存儲，可增加續航里程。

在Vicor 進(jìn)行的一項研究中，高密度電源模塊支持的分布架構可將車(chē)輛重量減輕40 磅（表1）。在該重量被40 磅的電池所取代時(shí)，在不增加凈重的情況下，電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程每年可增加4000 英里。

表1 48 V分布式架構與高密度電源模塊相結合，將使緊湊型電動(dòng)SUV減重約18公斤（40磅）

這一點(diǎn)非常重要，因為美國聯(lián)邦公路管理局2023年的數據顯示，美國人平均每年開(kāi)車(chē)的行駛里程為14263 英里。因此，使用48 V 分布式架構可減少每年30% 的充電時(shí)間（表2），并增加車(chē)輛一次充電的行駛里程。

表2 增加的行駛里程為司機增加了每次充電的行駛距離，減少每年所需的充電次數

7 創(chuàng )新消除重量顧慮

電動(dòng)汽車(chē)超重，這種趨勢既不能持續，也不利于電動(dòng)汽車(chē)的整體發(fā)展。采用傳統銀盒和分立式組件的12 V集中式架構需要升級到48 V 分布式架構，以?xún)?yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的供電網(wǎng)絡(luò )和散熱管理系統。分布式架構可將每年的行駛里程增加4000 英里，也可用于實(shí)現額外的安全或電子功能。

最高效的區域架構在負載點(diǎn)使用小型輕量級轉換器。高效的高功率密度模塊是48 V 至12 V 轉換的最佳選擇。

鑒于當前復雜的汽車(chē)電力電子產(chǎn)品，OEM 廠(chǎng)商不僅需要創(chuàng )造性地減輕重量，同時(shí)還需要提高性能。Vicor是高性能電源模塊的領(lǐng)導者，始終致力于實(shí)現創(chuàng )新和創(chuàng )造。Vicor 緊湊型電源模塊、架構和拓撲為汽車(chē)OEM 廠(chǎng)商提供高度靈活的可擴展電源解決方案，用于整個(gè)車(chē)輛的高壓電源轉換。易于部署的電源模塊是原有集中式電源系統使用的傳統分立式設計的替代方案。此外，小巧緊湊的電源模塊也是48 V 區域架構顯而易見(jiàn)的選擇及合理補充，48 V 區域架構是汽車(chē)行業(yè)供電網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)。

Weight Watchers^?是WW International, Inc.的注冊商標。Vicor是Vicor公司的注冊商標。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.1-2期）