解決與電動汽車相關(guān)的開發(fā)挑戰(zhàn)

最近的幾份行業(yè)報告證實了電動汽車采用率的增長是一個明顯而明顯的趨勢。雖然大流行暫停了全球汽車銷售，但消費者有時間反思他們的車輛更換選擇，而且似乎許多人正在考慮將電動汽車作為一種可行的選擇。然而，廣泛的消費者采用存在許多潛在障礙，最值得注意的是范圍和充電時間焦慮。

盡管如此，由于許多國家和地區(qū)政府的舉措以及制造商的特別優(yōu)惠，電動汽車的銷量將在未來幾年顯著增長。

從汽車制造商的角度來看，未來仍有許多技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。電動汽車的最初開發(fā)旨在為早期采用者市場在現(xiàn)有品牌車型中添加電動汽車替代品。然而，持續(xù)和顯著的增長將需要許多不同方面的技術(shù)進步。

例如，電池設(shè)計正在對新的化學(xué)物質(zhì)和構(gòu)造方法進行重大創(chuàng)新。盡管這些發(fā)展仍處于起步階段，但已經(jīng)取得了可喜的成果。部署方便且易于訪問的電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施也需要大量投資。續(xù)航里程和充電時間以及價格仍然是消費者的首要考慮因素，但影響這些的關(guān)鍵因素是車輛的重量。

今天的電動汽車仍然使用 12 V 電池為擋風(fēng)玻璃雨刷、座椅舒適控制和信息娛樂等非牽引相關(guān)功能供電。一些制造商目前正在將 12 V 電池更換為新型號的 48 V 電池。

低壓遺產(chǎn)

今天的任何新車都配備了無數(shù)基于電子設(shè)備的功能，這與哈德遜汽車公司在 1918 年引入標(biāo)準(zhǔn)化電池概念時相去甚遠。今天，時尚的觸摸控制信息娛樂系統(tǒng)通常包含收音機、媒體播放器、 GNSS 導(dǎo)航系統(tǒng)、智能手機集成以及車輛狀態(tài)和系統(tǒng)配置菜單。此外，車內(nèi)乘客還可以通過智能手機、大容量 SD 卡或在線服務(wù)傳輸音樂。高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 結(jié)合使用雷達、激光雷達和基于機器學(xué)習(xí)的計算機視覺來提供全面的駕駛輔助，例如自適應(yīng)巡航控制 （ACC）、盲點檢測和緊急制動。汽車技術(shù)的進步令人印象深刻，但它們都有過去的遺產(chǎn)；

對于配備 400 V 或 800 V 電池組的 EV，結(jié)合額外的電池和相關(guān)的電源管理電子設(shè)備為上述所有設(shè)備供電似乎會產(chǎn)生不必要的材料成本。圖 1 說明了與內(nèi)燃機相比，混合動力和純電動汽車動力架構(gòu)變得多么復(fù)雜。

過去，制造商將單獨的系統(tǒng)功能封裝在單獨的電子控制單元 （ECU） 中，每個電子控制單元由 12 V 電源供電。這種分布式電源管理和轉(zhuǎn)換方法會導(dǎo)致高 BOM 成本。當(dāng)然，BOM 成本并不是唯一需要考慮的因素，因為 12 V 原電池和所有電源組件的重量代表了重要的有效載荷。例如，12V 啟動電池的平均重量為 20 公斤，再加上多余的功率轉(zhuǎn)換組件，很快就會顯著增加。

從另一個角度來看，從 DC/DC 功率的角度來看，電動汽車動力傳動系統(tǒng)需要 50 kW 及更高的功率轉(zhuǎn)換和管理，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的功率轉(zhuǎn)換和管理需要不到 3 kW。因此，在最小的空間和最輕的重量下實現(xiàn)可靠和高效的功率轉(zhuǎn)換變得至關(guān)重要。EV 電源架構(gòu)需要支持驅(qū)動動力系統(tǒng)、車載和基礎(chǔ)設(shè)施充電以及傳統(tǒng)系統(tǒng)。

圖 1. 用于內(nèi)燃機、混合動力和全電動汽車的動力架構(gòu)比較（來源 Vicor）。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

汽車供電架構(gòu)；不同的方法

Vicor 提出的解決電動汽車開發(fā)挑戰(zhàn)的可行方法是使用虛擬 12 V（或 24 V/48 V）電池（圖 2）。與其依賴單獨的 12 V 電池，為什么不直接從車輛的主 400 V 或 800 V 電池組創(chuàng)建一個虛擬電池？通過這種方法，制造商可以減輕重量，同時降低相關(guān)的工程、供應(yīng)鏈和庫存成本。

圖 2. 使用虛擬電池 12 V 和 48 V 電源（來源 Vicor）實現(xiàn) EV 電源架構(gòu)。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

通過將高密度 HV 到 LV 轉(zhuǎn)換模塊整合到現(xiàn)有子系統(tǒng)中，Vicor 方法還實現(xiàn)了更高的集成度并降低了 BoM 成本——這也是 OEM 廠商希望實現(xiàn)的。

Vicor 提案側(cè)重于圖 2 所示的電力輸送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的三個方面：充電、轉(zhuǎn)換和輸送。

電動汽車充電：電動汽車行業(yè)正在逐漸采用 800 V 工作電壓的電池組，但部署的大部分電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施都基于最初的 400 V 標(biāo)準(zhǔn)。因此，任何新的電動汽車都需要能夠適應(yīng)這兩種電壓水平。高效且直接的雙向轉(zhuǎn)換模塊已經(jīng)上市，可為電池到充電站的兼容性提供極其靈活、高效和高密度的可擴展解決方案。

電源轉(zhuǎn)換：使用符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的高密度 DC/DC 模塊對 EV 的主高壓電池進行轉(zhuǎn)換，可為汽車制造商節(jié)省大量重量和空間。同樣，雙向電源轉(zhuǎn)換功能為供電架構(gòu)設(shè)計提供了靈活性。消除對 48 V 中間能量存儲的需求的能力，由 HV 電池中的虛擬 48 V 電池使用，進一步節(jié)省了重量和空間。

虛擬供電：在較新的車輛中，48 V 應(yīng)用包括新的驅(qū)動、轉(zhuǎn)向和線控制動大功率系統(tǒng)。滿足這些網(wǎng)絡(luò)的供電要求，同時支持具有更高功率要求的傳統(tǒng) 12V 負載（參見圖 3）需要仔細考慮。Vicor 提供比傳統(tǒng)解決方案更小、更輕的緊湊型高密度模塊解決方案。

圖 3. 通過車輛 HV 電池（來源 Vicor）的虛擬電源架構(gòu)支持傳統(tǒng) 12 V 應(yīng)用。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

重新定義汽車供電架構(gòu)

隨著汽車 OEM 努力降低二氧化碳排放量，同時提高車輛性能和功能，電動汽車被證明是最佳選擇。然而，將電動汽車的重量保持在最低限度以實現(xiàn)更好的續(xù)航里程被證明是一項挑戰(zhàn)。重新定義車輛供電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)可以節(jié)省重量和系統(tǒng)成本。