模塊化方法解決 48V 汽車電源架構(gòu)電氣化難題

轎車、卡車、公交車和摩托車制造商正迅速推進(jìn)車輛的電氣化改造，目的是提升內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性并降低二氧化碳排放。在電氣化的多種方案中，大多數(shù)廠商傾向于采用48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，而不是全面混合動(dòng)力技術(shù)。這種輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)在原有的12V電池基礎(chǔ)上，增加了一塊48V電池，使得電量提升了4倍（功率P等于電壓V乘以電流I），這足以應(yīng)對(duì)空調(diào)和啟動(dòng)時(shí)催化劑轉(zhuǎn)換器等重負(fù)載。48V系統(tǒng)能夠?yàn)榛旌蟿?dòng)力電機(jī)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)節(jié)油并提升加速的快速性和平順性，進(jìn)而提高車輛性能。此外，額外的電力還能支持轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和懸掛系統(tǒng)，以及一系列全新的安全、娛樂(lè)和舒適性功能。48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)為推出更低排放、更長(zhǎng)續(xù)航、更經(jīng)濟(jì)油耗的新車型提供了一條快速路徑，并且開(kāi)啟了令人激動(dòng)的新設(shè)計(jì)可能，以實(shí)現(xiàn)更高性能的同時(shí)減少碳排放。

然而，對(duì)于調(diào)整長(zhǎng)期使用的12V供電網(wǎng)絡(luò)（PDN），人們普遍持有猶豫態(tài)度。這種改變需要采用經(jīng)過(guò)廣泛測(cè)試的新技術(shù)，并且需要能夠?yàn)槠囆袠I(yè)提供符合高安全性和高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的新供應(yīng)商。

最大化 48V PDN

增加48V電池后，工程師們對(duì)于更重的動(dòng)力總成和底盤系統(tǒng)負(fù)載有了多樣化的供電選擇。目前，工程師們面臨一個(gè)選擇，即是否采用能夠直接處理48V輸入的系統(tǒng)，或者繼續(xù)使用原有的12V機(jī)電負(fù)載，如泵、風(fēng)扇和電機(jī)，而不必通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器將48V電壓轉(zhuǎn)換為12V。為了控制變革過(guò)程中的變化和風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有的輕度混合動(dòng)力供電系統(tǒng)正在逐步集成48V負(fù)載，但仍然依賴于大型集中式的數(shù)千瓦48V至12V轉(zhuǎn)換器，以為整個(gè)車輛提供12V電源。然而，這種集中式的設(shè)計(jì)方法并未完全發(fā)揮48V供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的潛力，同時(shí)也未能充分利用當(dāng)前可用的先進(jìn)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹⒖刂葡到y(tǒng)和封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

圖 1：傳統(tǒng) 12V 集中式架構(gòu)

圖 2：48V 分布式架構(gòu)或分區(qū)架構(gòu)

這些集中式的DC-DC轉(zhuǎn)換器（如圖1所示）大多體積龐大，這是因?yàn)樗鼈儾捎昧溯^為陳舊的低頻PWM開(kāi)關(guān)拓?fù)?。同時(shí)，它們也構(gòu)成了動(dòng)力總成系統(tǒng)中一個(gè)重要的單點(diǎn)故障源。

另一種值得考慮的方案是采用模塊化電源組件實(shí)現(xiàn)分布式供電（如圖2所示）。這種供電結(jié)構(gòu)采用了更小、功耗更低的48至12V轉(zhuǎn)換器，它們被分布在車輛的各個(gè)部分，靠近12V負(fù)載的位置。通過(guò)簡(jiǎn)單的功率公式P = V ? I和功率損耗公式PLOSS = I2R，我們可以理解為什么48V配電系統(tǒng)比12V系統(tǒng)更有效率。

在相同的功率輸出下，48V系統(tǒng)的電流僅為12V系統(tǒng)的四分之一，因此損耗(I2R)急劇下降到原來(lái)的1/16。在四分之一的電流下，電纜和連接器可以更小、更輕，并且成本也更低。此外，分布式電源架構(gòu)在熱管理和電源系統(tǒng)冗余方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)（如圖4所示）。這是一種無(wú)需顧慮傳統(tǒng)DC-DC轉(zhuǎn)換器的重量、散熱和體積問(wèn)題，就能在車輛中傳輸數(shù)千瓦電力的新方法。

圖 3：標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率為 94%

圖 4：Vicor DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率為 98%

分布式架構(gòu)或分區(qū)架構(gòu)的模塊化

分布式供電（圖 4）的模塊化方法具有高度的可擴(kuò)展性。

電池的 48V 輸出分配給車內(nèi)各種高功率負(fù)載，最大限度地提高更低電流（4 倍）及更低功耗（16 倍）的優(yōu)勢(shì)，而且還可實(shí)現(xiàn)更小、更輕的 PDN。根據(jù)對(duì)不同分布式負(fù)載的負(fù)載電源分析，在并聯(lián)陣列中使用時(shí)，可以針對(duì)適當(dāng)功率粒度設(shè)計(jì)和認(rèn)證一個(gè)模塊，并可向上擴(kuò)展系統(tǒng)的功率水平。

本實(shí)例展示了一個(gè) 2kW 模塊。如前文所述，粒度和可擴(kuò)展性具有系統(tǒng)依賴性。使用分布式模塊代替大型集中式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，也能夠以顯著降低的成本實(shí)現(xiàn) N+1 冗余。此外，如果負(fù)載功耗在汽車開(kāi)發(fā)階段發(fā)生改變，該方法仍然有優(yōu)勢(shì)。工程師可以增減模塊，無(wú)需對(duì)整個(gè)完成的定制電源進(jìn)行修改。此外，該模塊已經(jīng)獲得批準(zhǔn)和認(rèn)證，可減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。

實(shí)施分布式或分區(qū)模塊化 48V 架構(gòu)

圖 5：全電動(dòng)化汽車的模塊化方法

純電動(dòng)汽車或高性能混合動(dòng)力汽車通常會(huì)采用高電壓電池，以滿足動(dòng)力總成和底盤系統(tǒng)的高功率需求。盡管如此，48V安全特低電壓（SELV）供電網(wǎng)絡(luò)對(duì)于原始設(shè)備制造商（OEM）來(lái)說(shuō)仍具有明顯優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們面臨著800V至48V或400V至48V高功率轉(zhuǎn)換的新挑戰(zhàn)。

這種高功率DC-DC轉(zhuǎn)換器需要隔離功能，但不需要穩(wěn)壓功能。通過(guò)使用穩(wěn)壓點(diǎn)負(fù)載（PoL）轉(zhuǎn)換器，上游的高功率轉(zhuǎn)換器可以采用固定比率拓?fù)洹＿@種方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?00/48和400/48的輸入輸出電壓比分別為16:1或8:1，如圖5所示。在這樣的寬電壓范圍內(nèi)使用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器不僅效率低下，而且會(huì)給散熱管理帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。OEM通常將這種高效的降壓解決方案安裝在電池組內(nèi)部，有時(shí)甚至可以省去電池。Vicor的固定比率高壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)品能夠以快速的響應(yīng)速度實(shí)現(xiàn)快速電流傳輸，從而使OEM能夠減少12至14公斤的48V電池重量。

由于400V或800V配電系統(tǒng)的安全要求，分散這種高電壓隔離轉(zhuǎn)換器的實(shí)施既復(fù)雜又成本高昂。然而，高功率的集中式固定比率轉(zhuǎn)換器可以使用電源模塊來(lái)替代大型“銀盒”DC-DC轉(zhuǎn)換器。

可以開(kāi)發(fā)具有適當(dāng)粒度和可擴(kuò)展性的電源模塊，它們可以輕松并聯(lián)，以適應(yīng)不同動(dòng)力總成和底盤電氣化要求的一系列車輛。此外，Vicor的BCM固定比率母線轉(zhuǎn)換器是雙向的，支持各種能源回收方案。BCM采用正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）的高頻軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?，因此可以?shí)現(xiàn)超過(guò)98%的效率。它們還擁有2.6kW/in3的功率密度，能夠顯著減小集中式高電壓轉(zhuǎn)換器的體積。