解讀分散式48V架構(gòu)的汽車電源系統(tǒng)方案

本文作者：Patrick Wadden是Vicor汽車業(yè)務(wù)全球副總裁，Nicolas Richard是Vicor汽車業(yè)務(wù)總監(jiān)

汽車，卡車，公共汽車和摩托車的制造商正在迅速為其車輛增加電氣化內(nèi)容，以提高內(nèi)燃機(jī)的燃油效率并減少CO2排放。電氣化選擇很多，但是大多數(shù)制造商都選擇48V輕度混合動力系統(tǒng)，而不是完整的混合動力總成。在輕度混合動力系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的12V蓄電池外，還增加了48V蓄電池。

這樣可將功率容量提高四倍，可用于較重的負(fù)載，例如空調(diào)和催化轉(zhuǎn)化器。為了提高車輛性能，該48V系統(tǒng)可以為混合動力發(fā)動機(jī)提供動力，混合動力發(fā)動機(jī)可實(shí)現(xiàn)更快，更平穩(wěn)的加速，同時(shí)節(jié)省燃料。額外的動力還可以支持轉(zhuǎn)向、制動和懸架系統(tǒng)，以及新的安全，娛樂和舒適性等功能。

圖1：傳統(tǒng)的12V集中式架構(gòu)（左）和48V分散式架構(gòu)（右）。

引入48V混合動力系統(tǒng)具有巨大的進(jìn)步空間?？朔π薷拈L期存在的12V輸電網(wǎng)絡(luò)（PDN）可能是最大的挑戰(zhàn)。電源變化通常需要廣泛測試新技術(shù)，同時(shí)需要能夠滿足汽車行業(yè)高安全性和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的新供應(yīng)商。

但是，隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)轉(zhuǎn)向48V PDN，其優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了轉(zhuǎn)換成本。對于汽車行業(yè)而言，48V混合動力系統(tǒng)提供了一種全新方法來快速引入排放量更低、續(xù)航里程更長且油耗更低的新型汽車。它還提供了令人興奮的新設(shè)計(jì)選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)更高的性能和功能，同時(shí)仍減少二氧化碳排放量。

最大化PDN

添加48V電池為較重的動力總成和底盤系統(tǒng)負(fù)載供電，為工程師提供了選擇?，F(xiàn)在，可以選擇添加一些系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以直接處理48V輸入，或者通過穩(wěn)壓DC / DC轉(zhuǎn)換器將48V轉(zhuǎn)換為12V，從而保留傳統(tǒng)的12V機(jī)電負(fù)載（如泵，風(fēng)扇和電動機(jī)）。為了應(yīng)對變化和風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有的輕度混合動力輸電系統(tǒng)正在緩慢增加48V負(fù)載，但仍使用大型集中式高功率48V至12V轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)饋入12V負(fù)載。但是，這種集中式架構(gòu)并沒有充分利用48V PDN的優(yōu)勢，也沒有利用現(xiàn)有的高級轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/8966/" target="_blank">控制系統(tǒng)和封裝的優(yōu)勢。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)DC / DC轉(zhuǎn)換器（左）的效率為94％，Vicor DC / DC轉(zhuǎn)換器（右）的效率為98％。

這些集中式DC/DC轉(zhuǎn)換器絕大多數(shù)都是笨重的，因?yàn)樗鼈兪褂昧溯^舊的低頻脈沖寬度調(diào)制（PWM）開關(guān)拓?fù)?。對于許多關(guān)鍵的動力總成系統(tǒng)，它們?nèi)菀装l(fā)生單點(diǎn)故障。

另一種體系結(jié)構(gòu)則是采用模塊化電源組件的分散式電源。這種電源傳輸架構(gòu)使用較小的，低功耗的48至12V轉(zhuǎn)換器，在接近12V負(fù)載的整個(gè)車輛的近負(fù)載點(diǎn)中分布。

根據(jù)電壓越高，電流越小，導(dǎo)線損失就越小可知，對于給定的功率水平，在48V時(shí)的電流是12V系統(tǒng)中電流的1/4，損耗（I2R）低16倍。在電流的1/4時(shí)，電纜和連接器可以更小，更輕，更便宜。分散式電源架構(gòu)還具有顯著的熱管理和電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢（圖2）。這是在整個(gè)車輛中散布kW級功率的另一種方式，而不需傳統(tǒng)DC / DC轉(zhuǎn)換器的重量、散熱和體積。

可擴(kuò)展模塊

分散式電力輸送的模塊化方法（圖3）具有高度的可擴(kuò)展性。

圖3：混合動力汽車的模塊化方法。

電池的48V輸出分配到車輛的各種高功率負(fù)載上，從而最大限度地發(fā)揮了較低電流（4x）和較低損耗（16x）的優(yōu)勢，從而使PDN的體積更小，重量更輕。根據(jù)對各種分布式負(fù)載的功率分析，可以設(shè)計(jì)一個(gè)模塊并通過適當(dāng)?shù)墓β柿６闰?yàn)證，并可在并行陣列中使用，從而擴(kuò)展系統(tǒng)的功率等級。

在此示例中，顯示了一個(gè)2kW的模塊，粒度和可伸縮性取決于系統(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冗余也可以以更低的成本實(shí)現(xiàn)。如果負(fù)載功率在車輛開發(fā)階段發(fā)生改變，則該方法同樣更為方便。工程師無需添加或修改接地的定制電源，而是可以通過添加或刪除模塊進(jìn)行縮放。另一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)勢是減少了開發(fā)時(shí)間，因?yàn)樵撃K已經(jīng)獲得批準(zhǔn)和認(rèn)證。

圖4顯示了全電動汽車中的模塊化應(yīng)用領(lǐng)域。

圖4：全電動汽車中分散式48V架構(gòu)的模塊化應(yīng)用。

對于純電動汽車或高性能混合動力汽車，由于動力總成和底盤系統(tǒng)的高功率需求，因此使用了高壓電池。48V SELV PDN對于OEM仍然具有顯著優(yōu)勢，但是現(xiàn)在，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還面臨著大電壓800V或400V轉(zhuǎn)換至48V的挑戰(zhàn)。

這種高功率DC / DC轉(zhuǎn)換器也需要隔離但不需要調(diào)節(jié)。通過使用穩(wěn)壓PoL轉(zhuǎn)換器，高功率上游轉(zhuǎn)換器可以使用固定比率拓?fù)?。由于分別針對800/48和400/48的16：1或8：1寬的輸入至輸出電壓范圍，這非常有利。

在此范圍內(nèi)使用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器效率非常低，并且存在很大的熱管理問題。OEM經(jīng)常在電池組內(nèi)部找到這種高效的降壓解決方案，并且在某些情況下希望能夠淘汰電池。Vicor的固定比例高壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)品以快速的壓擺率提供快速的電流輸出，使汽車OEM可以減輕12至14kg不必要的48V電池。

由于在分配400V或800V時(shí)的安全要求，分離這種高壓隔離的轉(zhuǎn)換器將非常困難且成本很高。但是，可以使用電源模塊替代笨重的銀盒電源DC / DC轉(zhuǎn)換器來設(shè)計(jì)高功率集中式固定比率轉(zhuǎn)換器。

可以開發(fā)出粒度和可擴(kuò)展性級別合適的電源模塊，然后輕松地將其并聯(lián)用于具有不同動力總成和底盤電氣化要求的一系列車輛。 Vicor固定比率總線轉(zhuǎn)換器（BCM）也是雙向的，支持各種能源再生方案。由于正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）的高頻，軟開關(guān)拓?fù)?，BCM的效率超過98％。它們還具有2.6kW每平方英寸的功率密度，從而大大減小了集中式高壓轉(zhuǎn)換器的尺寸。

汽車電源系統(tǒng)的模塊化方法簡化了復(fù)雜的電源交付挑戰(zhàn)，提高了性能，生產(chǎn)效率和上市時(shí)間。
編輯：hfy