如何使用48V分布式電源架構(gòu)解決汽車電氣化難題

轎車、卡車、公交車及摩托車制造商都在快速為其車輛實(shí)現(xiàn)電氣化，以提高內(nèi)燃機(jī)的燃油效率，減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但大多數(shù)制造商都沒有選擇完全混合動(dòng)力總成，而是選擇48伏輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)。輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)除了有傳統(tǒng)12V電池之外，還新增了一款48V電池。

這可增加4倍的電量(P=V?I)，用于催化式排氣凈化器等重負(fù)荷。48V系統(tǒng)可為混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)供電，在節(jié)省燃油的同時(shí)，更快、更平穩(wěn)的加速，以提高車輛性能。額外的電源不僅可為轉(zhuǎn)向、剎車以及懸架系統(tǒng)提供支持，而且還可增加新的安全、娛樂及舒適特性。

引入48伏輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，一旦完成設(shè)計(jì)，會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)?？朔?duì)長期存在的12伏供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)進(jìn)行改造的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn)。改變供電通常需要必須進(jìn)行大量測(cè)試的新技術(shù)，而且可能還需要能夠按汽車產(chǎn)業(yè)的高安全性及高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)供電的全新供應(yīng)商。

但數(shù)據(jù)中心行業(yè)在轉(zhuǎn)向48V PDN的過程中發(fā)現(xiàn)，這樣做的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了轉(zhuǎn)換成本。對(duì)于汽車產(chǎn)業(yè)來說，48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)帶來了快速推出排放更低、行駛里程更遠(yuǎn)、油耗更低的全新車輛的途徑。此外，它還可為提高性能特性并減少二氧化碳排放提供令人振奮的全新設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

如何最大化48V供電網(wǎng)絡(luò)

增加48V電池，為更重的動(dòng)力總成及底盤系統(tǒng)負(fù)載供電，可為工程師提供各種選項(xiàng)?，F(xiàn)在有一個(gè)增加系統(tǒng)的選擇，可以直接處理48V輸入，也可以保留泵、風(fēng)扇和電機(jī)等原有12V機(jī)電負(fù)載，無需通過穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器將48V轉(zhuǎn)換成12V。為了管理變革與風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有輕度混合動(dòng)力供電系統(tǒng)逐漸增加48V負(fù)載的同時(shí)，仍使用大型集中式數(shù)千瓦48V至12V轉(zhuǎn)換器，將整個(gè)汽車的12V電源提供給12V負(fù)載。然而，這種集中式架構(gòu)不僅沒有完全利用48V PDN的優(yōu)勢(shì)，而且也沒有利用現(xiàn)在可用的高級(jí)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/8966/" target="_blank">控制系統(tǒng)與封裝的優(yōu)勢(shì)。

這些集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器(圖1)絕大多數(shù)都很笨重，因?yàn)樗鼈兪褂幂^早的低頻率開關(guān)PWM拓?fù)?。此外，它們也?huì)為大量關(guān)鍵動(dòng)力總成系統(tǒng)帶來單點(diǎn)故障。

另外一種需要考慮的架構(gòu)是使用模塊化電源組件進(jìn)行分布式供電(圖2)。該供電架構(gòu)使用更小、更低功耗的48至12V轉(zhuǎn)換器，在整個(gè)接近12V負(fù)載的車輛中配電。簡(jiǎn)單的功率方程式P=V?I和PLOSS=I2R就可以說明為什么48V配電比12V更高效。

對(duì)于給定功率級(jí)而言，與12V系統(tǒng)相比，48V系統(tǒng)電流低四倍、功耗低16倍。在1/4的電流下，電纜和連接器可能會(huì)更小、更輕，而且成本也會(huì)更低。此外，分布式電源架構(gòu)還有顯著的熱管理及電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢(shì)(圖4)。

分布式架構(gòu)的模塊化組件優(yōu)勢(shì)

分布式供電(圖5)的模塊化方法具有高度的可擴(kuò)展性。

圖5 混合動(dòng)力電動(dòng)車的模塊化方法

電池的48V輸出分配給車內(nèi)各種高功率負(fù)載，從而可使更低電流(4倍)及更低功耗(16倍)的優(yōu)勢(shì)最大化，帶來更小、更輕的PDN。根據(jù)不同分布式負(fù)載的負(fù)載電源分析，可以設(shè)計(jì)一個(gè)模塊并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)功率粒度及擴(kuò)展性認(rèn)證，用于并行陣列。

本實(shí)例中是2kW模塊。如前文所述，粒度和可擴(kuò)展性主要看系統(tǒng)。通過使用分布式模塊代替大型集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器，N+1冗余也能夠以顯著降低的成本實(shí)現(xiàn)。如果負(fù)載功耗在汽車開發(fā)階段有變，該方法依然有優(yōu)勢(shì)。工程師可以增減模塊，無需對(duì)整個(gè)完成的定制電源進(jìn)行修改。另一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是縮短開發(fā)時(shí)間，因?yàn)槟K已獲得批準(zhǔn)和認(rèn)證。

在更高電壓的電池系統(tǒng)中實(shí)施分布式模塊化48V架構(gòu)

圖6 純電動(dòng)車的模塊化方法

純電動(dòng)車或高性能混合動(dòng)力車可使用高電壓電池，因?yàn)閯?dòng)力總成和底盤系統(tǒng)功率需求很高。48V SELV PDN對(duì)于OEM廠商而言依然有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是現(xiàn)在，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有了額外的挑戰(zhàn)，即高功率800V或400V至48V的轉(zhuǎn)換。

此外，這款高功率DC-DC轉(zhuǎn)換器還需要隔離，但不需要穩(wěn)壓。分散48V至12V轉(zhuǎn)換器布置的一大優(yōu)勢(shì)是更好的穩(wěn)壓。上游高功率轉(zhuǎn)換器可通過使用穩(wěn)壓PoL轉(zhuǎn)換器，使用固定比率拓?fù)?。這具有極大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?6:1或8：1的寬輸入至輸出電壓范圍分別適用于800/48和400/48。在該范圍內(nèi)使用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器不僅效率很低，而且還會(huì)給熱管理帶來很大的問題。

由于400V或800V配電時(shí)的安全要求，分散布置這款高電壓隔離轉(zhuǎn)換器不僅非常困難，而且成本還很高。然而，高功率集中式固定比例轉(zhuǎn)換器可使用電源模塊取代大型“銀盒”DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

可以開發(fā)具有適當(dāng)粒度及可擴(kuò)展性的電源模塊，然后進(jìn)行輕松并聯(lián)，用于具有不同動(dòng)力總成及底盤電氣化要求的廣泛車輛。此外，Vicor固定比率母線轉(zhuǎn)換器(BCM?)還是雙向的，支持各種能源再生方案。BCM采用正弦振幅轉(zhuǎn)換器(SAC?)高頻率軟開關(guān)拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)98%以上的效率。它們還具有2.6kW/in3的功率密度，可顯著縮小集中式高電壓轉(zhuǎn)換器的尺寸。

Vicor是汽車市場(chǎng)的供應(yīng)商，可提供最先進(jìn)的創(chuàng)新48V解決方案。汽車供電架構(gòu)的分布式模塊化方法可簡(jiǎn)化復(fù)雜的供電挑戰(zhàn)，從而可提高性能和生產(chǎn)力，縮短上市時(shí)間。Vicor是48V電源轉(zhuǎn)換的領(lǐng)導(dǎo)者，不斷為供電架構(gòu)、電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?、控制系統(tǒng)及封裝實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。