電動汽車模塊化電源解決方案

電動汽車（e-mobility）可能是近年來科技公司和消費者不得不面對的最重大挑戰(zhàn)之一。雖然越來越需要尋找能夠徹底改變我們出行方式的環(huán)保系統(tǒng)，但也需要確保新的綠色技術在價格和性能方面盡可能高效和有效。

汽車 OEM 需要滿足日益嚴格的 CO 2排放標準，同時提高車輛性能以保持競爭力。純電動汽車 （EV）、混合動力電動汽車 （HEV） 和內燃機汽車 （ICE） 的電氣化解決了這一重大挑戰(zhàn)。增加更高電壓的電池，如 48V、400V 和 800V 以滿足不斷增長的功率要求，反過來又增加了供電架構的復雜性，并對尺寸和效率提出了新的要求

輕度混合動力汽車 （MHEV） 系統(tǒng)是電氣化的門戶。也被確定為輕混合動力推進，它們將有助于混合動力模型的指數(shù)增長。MHEV系統(tǒng)能夠在制動時回收車輛能量，并在車輛重新啟動時提供能量，從而減少氣體消耗和二氧化碳排放。

HEV 車型的第二種電氣化方法涉及電動機與 ICE 一起工作，使車輛能夠在電動模式下 100% 行駛幾公里。另一種流行的替代方案是插電式混合動力電動汽車 （PHEV），電池可以通過電網(wǎng)充電，零排放時的續(xù)航里程增加到約 50 公里。在這種情況下，電氣化明顯高于 MHEV 和混合動力技術——購買成本也是如此——市場上有數(shù)十款 PHEV 車型。

純電動汽車 （BEV） 沒有 ICE，而是由逆變器和電動機的組合提供動力。BEV 可通過電網(wǎng)充電并在制動再生期間進行充電。在電動汽車中，我們還發(fā)現(xiàn)帶有小型內燃機的增程式電動汽車 （EREV），專門用作電流發(fā)生器，以便在電量低時為電池充電。最后一類是由氫燃料電池驅動的燃料電池電動汽車 （FCEV）。

圖 1：按動力總成類型劃分的全球預測

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，還可以通過減輕重量和新的電氣架構來提高汽車效率。

當今的電氣化挑戰(zhàn)

“當今電氣化面臨的挑戰(zhàn)如下：降低成本、滿足積極的 CO 2排放目標、管理電源要求的變化、為傳統(tǒng) 12V 負載供電、提供更輕、性能更高的車輛、增加功率水平、更快的充電時間和管理更高的電壓800V 和 400V 電池系統(tǒng)，” Vicor Corporation汽車業(yè)務發(fā)展全球副總裁 Patrick Wadden 說。

汽車、卡車、公共汽車和摩托車的制造商正在迅速為其車輛電氣化，以提高內燃機的燃油效率并減少 CO 2排放。有許多電氣化選擇，但大多數(shù)制造商選擇 48 伏輕度混合動力系統(tǒng)，而不是全混合動力系統(tǒng)。在輕度混合動力系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的 12V 電池外，還增加了 48V 電池。

“車輛中有一個 800 或 400 伏的電池。Vicor 從電池中獲取 800 或 400 伏電壓，并將電源轉換為 48 伏電壓，為電動渦輪、前擋風玻璃和冷卻泵等負載供電。由 800 或 400 伏電池供電的系統(tǒng)可以選擇完全取消 48V 電池并創(chuàng)建虛擬 48V 電池。取消48V 電池為 OEM 提供了更高的功率密度、重量和尺寸的減輕，所有這些都可以擴大車輛的續(xù)航里程。這些解決方案具有可擴展性，因此可以滿足入門級豪華車的需求，”Wadden 說。

48V 技術有效分配電源

48V 技術將功率容量提高了 4 倍（P = V ? I），可用于較重的負載，例如啟動時的空調和催化轉換器。為了提高車輛性能，48V 系統(tǒng)可以為混合動力電機提供動力，該電機用于在節(jié)省燃油的同時實現(xiàn)更快、更平穩(wěn)的加速。

“克服對修改長期成本優(yōu)化的 12 伏供電網(wǎng)絡 （PDN） 的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn)，”Wadden 說。他繼續(xù)說道，“對于汽車行業(yè)而言，48V 輕度混合動力系統(tǒng)提供了一種快速推出具有更低排放、更長航程和更高油耗和實用方法的新車的方法。它還提供了新的和令人興奮的設計選項，以實現(xiàn)更高的性能和功能，同時仍然減少 CO 2排放?！?/p>

所使用的絕大多數(shù)集中式 DC-DC 轉換器體積龐大且笨重，因為它們使用舊的 PWM 低頻開關拓撲。需要考慮的最新架構是使用電源模塊的分散式供電。

“使用分散模型的好處可以在系統(tǒng)級實現(xiàn)，車輛周圍的電纜重量更輕：在最小化阻抗和電阻方面，將轉換器放置在最靠近負載的地方有一些很好的好處，其中一些冷卻方法可以簡化，在某些情況下可以取消冷板或液體冷卻。通過更多選項和靈活性來實現(xiàn)功能安全的選項開始發(fā)揮作用，”Wadden 說。

這種供電架構使用更小、功耗更低的 48V 至 12V 轉換器。分散式電源架構為電源系統(tǒng)提供了顯著的熱管理優(yōu)勢。

“讓我們看一下集中式系統(tǒng)與分散式系統(tǒng)的高級圖。在左側，我們有一個傳統(tǒng)的 3kW 銀盒，傳統(tǒng)上具有 400V 輸入到 12V 輸出，為汽車中的 12V 負載供電。右側是如何在汽車周圍使用 48V 的示例：轉換器直接放置在負載點處，分散模型取消了大銀盒，并根據(jù)需要在車輛周圍進行配電。這也允許使用冗余電源實施 ASIL FUSA。隨著電力需求的增加，管理變得越來越困難，并且無法繼續(xù)添加這些舊的傳統(tǒng)銀箱，”Wadden 說。

新的 48V PDN 必須支持具有更高功率要求的傳統(tǒng) 12V 負載以及使用電纜的新高功率驅動、轉向和制動系統(tǒng)。與更大、更笨重的分立解決方案相比，在負載數(shù)量不斷增加的情況下提供更多 48V 電源需要高密度模塊。Vicor 提供多種用于 48V 供電的模塊。這些器件包括在降壓或升壓模式下支持 48V 和 12V 負載的固定比率和穩(wěn)壓轉換解決方案。這些轉換器可以包含在單個外殼中，也可以使用更小、更輕的 48V PDN 分布在整個車輛中。

Vicor NBM 用于分散式架構，每當 OEM 需要在最靠近負載的車輛周圍放置電壓轉換級并將 48V 降壓至 12V 或將 12V 升壓至 48V 時。

通過使用 400V 和 800V 充電站，車輛與任何充電站的兼容性需要一種盡可能簡單但最重要的是高效的轉換解決方案。NBM6123 在 61 x 23mm CM-ChiP 封裝中提供 6.4kW 固定比率 400V 和 800V 轉換，從而實現(xiàn)可擴展、高效、高密度的解決方案，以實現(xiàn)路邊充電站和不同車輛之間的兼容性。Vicor 解決方案的雙向功能允許使用同一個模塊進行升壓或降壓轉換。NBM6123 還可用于在充電期間為車輛供電以進行空調，從而最大限度地減少電池平衡電路。

結論

如今，汽車電氣化的發(fā)展有多種形式，為它們提供動力是很復雜的。一輛車有許多不同的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)可能有不同的功率要求。模塊化電源方法本質上更靈活和可擴展，能夠解決無數(shù)這些挑戰(zhàn)。Vicor 的高性能解決方案體積小、重量輕，旨在解決任何系統(tǒng)的電源轉換、充電和輸送問題。

審核編輯：郭婷