本文作者：Patrick Wadden是Vicor汽車(chē)業(yè)務(wù)全球副總裁，Nicolas Richard是Vicor汽車(chē)業(yè)務(wù)總監
汽車(chē)，卡車(chē)，公共汽車(chē)和摩托車(chē)的制造商正在迅速為其車(chē)輛增加電氣化內容，以提高內燃機的燃油效率并減少CO2排放。電氣化選擇很多，但是大多數制造商都選擇48V輕度混合動(dòng)力系統，而不是完整的混合動(dòng)力總成。在輕度混合動(dòng)力系統中，除了傳統的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，可用于較重的負載，例如空調和催化轉化器。為了提高車(chē)輛性能，該48V系統可以為混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機提供動(dòng)力，混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機可實(shí)現更快，更平穩的加速，同時(shí)節省燃料。額外的動(dòng)力還可以支持轉向、制動(dòng)和懸架系統，以及新的安全，娛樂(lè )和舒適性等功能。
圖1：傳統的12V集中式架構（左）和48V分散式架構（右）。
引入48V混合動(dòng)力系統具有巨大的進(jìn)步空間�？朔䦟π薷拈L(cháng)期存在的12V輸電網(wǎng)絡(luò )（PDN）可能是最大的挑戰。電源變化通常需要廣泛測試新技術(shù)，同時(shí)需要能夠滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)高安全性和質(zhì)量標準的新供應商。
但是，隨著(zhù)數據中心行業(yè)轉向48V PDN，其優(yōu)勢遠遠超過(guò)了轉換成本。對于汽車(chē)行業(yè)而言，48V混合動(dòng)力系統提供了一種全新方法來(lái)快速引入排放量更低、續航里程更長(cháng)且油耗更低的新型汽車(chē)。它還提供了令人興奮的新設計選項，以實(shí)現更高的性能和功能，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(dòng)力總成和底盤(pán)系統負載供電，為工程師提供了選擇�，F在，可以選擇添加一些系統，這些系統可以直接處理48V輸入，或者通過(guò)穩壓DC / DC轉換器將48V轉換為12V，從而保留傳統的12V機電負載（如泵，風(fēng)扇和電動(dòng)機）。為了應對變化和風(fēng)險，現有的輕度混合動(dòng)力輸電系統正在緩慢增加48V負載，但仍使用大型集中式高功率48V至12V轉換器，該轉換器負責饋入12V負載。但是，這種集中式架構并沒(méi)有充分利用48V PDN的優(yōu)勢，也沒(méi)有利用現有的高級轉換器拓撲、控制系統和封裝的優(yōu)勢。
圖2：標準DC / DC轉換器（左）的效率為94％，Vicor DC / DC轉換器（右）的效率為98％。
這些集中式DC/DC轉換器絕大多數都是笨重的，因為它們使用了較舊的低頻脈沖寬度調制（PWM）開(kāi)關(guān)拓撲。對于許多關(guān)鍵的動(dòng)力總成系統，它們容易發(fā)生單點(diǎn)故障。
另一種體系結構則是采用模塊化電源組件的分散式電源。這種電源傳輸架構使用較小的，低功耗的48至12V轉換器，在接近12V負載的整個(gè)車(chē)輛的近負載點(diǎn)中分布。
根據電壓越高，電流越小，導線(xiàn)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。分散式電源架構還具有顯著(zhù)的熱管理和電源系統冗余優(yōu)勢（圖2）。這是在整個(gè)車(chē)輛中散布kW級功率的另一種方式，而不需傳統DC / DC轉換器的重量、散熱和體積。
可擴展模塊
分散式電力輸送的模塊化方法（圖3）具有高度的可擴展性。
圖3：混合動(dòng)力汽車(chē)的模塊化方法。
電池的48V輸出分配到車(chē)輛的各種高功率負載上，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。根據對各種分布式負載的功率分析，可以設計一個(gè)模塊并通過(guò)適當的功率粒度驗證，并可在并行陣列中使用，從而擴展系統的功率等級。
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。通過(guò)使用分布式模塊代替大型集中式DC / DC轉換器，N + 1冗余也可以以更低的成本實(shí)現。如果負載功率在車(chē)輛開(kāi)發(fā)階段發(fā)生改變，則該方法同樣更為方便。工程師無(wú)需添加或修改接地的定制電源，而是可以通過(guò)添加或刪除模塊進(jìn)行縮放。另一個(gè)設計優(yōu)勢是減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，因為該模塊已經(jīng)獲得批準和認證。
圖4顯示了全電動(dòng)汽車(chē)中的模塊化應用領(lǐng)域。
圖4：全電動(dòng)汽車(chē)中分散式48V架構的模塊化應用。
對于純電動(dòng)汽車(chē)或高性能混合動(dòng)力汽車(chē)，由于動(dòng)力總成和底盤(pán)系統的高功率需求，因此使用了高壓電池。48V SELV PDN對于OEM仍然具有顯著(zhù)優(yōu)勢，但是現在，電源系統設計人員還面臨著(zhù)大電壓800V或400V轉換至48V的挑戰。
這種高功率DC / DC轉換器也需要隔離但不需要調節。通過(guò)使用穩壓PoL轉換器，高功率上游轉換器可以使用固定比率拓撲。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。
在此范圍內使用穩壓轉換器效率非常低，并且存在很大的熱管理問(wèn)題。OEM經(jīng)常在電池組內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的固定比例高壓轉換產(chǎn)品以快速的壓擺率提供快速的電流輸出，使汽車(chē)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轉換器來(lái)設計高功率集中式固定比率轉換器。
可以開(kāi)發(fā)出粒度和可擴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(dòng)力總成和底盤(pán)電氣化要求的一系列車(chē)輛。 Vicor固定比率總線(xiàn)轉換器（BCM）也是雙向的，支持各種能源再生方案。由于正弦振幅轉換器（SAC）的高頻，軟開(kāi)關(guān)拓撲，BCM的效率超過(guò)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換器的尺寸。
汽車(chē)電源系統的模塊化方法簡(jiǎn)化了復雜的電源交付挑戰，提高了性能，生產(chǎn)效率和上市時(shí)間。 |
