作者： Steven Keeping
隨著(zhù)包括主動(dòng)懸掛、轉向、氣候控制、電動(dòng)座椅和電動(dòng)車(chē)窗以及高級信息娛樂(lè )系統在內的電氣系統數量的增多，對電源的需求也在日益增加，進(jìn)而推動(dòng)了汽車(chē)電源系統從 12 V 向 48 V 的轉變。事實(shí)證明，48 V 電源是有效提供大量電能的最佳選擇，而 12 V 系統則需要昂貴的元器件和大量的布線(xiàn)工作，否則就無(wú)法滿(mǎn)足基于 12 V 系統的嚴格的安全和性能標準。
此外，隨著(zhù)內燃機 (ICE) 車(chē)隊被電動(dòng)汽車(chē) (EV) 取代，48 V 系統的采用速度也將加快。雖然電動(dòng)汽車(chē)使用 400 V，甚至是 800 V 系統來(lái)驅動(dòng)車(chē)輪，但多家制造商，尤其是擁有 CyberTruck 技術(shù)的 Tesla 已經(jīng)利用設計全新汽車(chē)的機會(huì )，將 48 V 作為汽車(chē)其他電氣系統的標準電壓。
功率越高，阻性損耗越低
但為什么要放棄成熟且經(jīng)過(guò)驗證的 12 V 技術(shù)呢？畢竟，幾十年來(lái) 12 V 系統一直表現良好，而且仍然擁有龐大的元器件供應鏈和成熟產(chǎn)品。答案很簡(jiǎn)單，因為以前的普通汽車(chē)需要為車(chē)內照明、收音機和點(diǎn)煙器（沒(méi)錯，那時(shí)的汽車(chē)有內置點(diǎn)煙器）提供電源，而電動(dòng)轉向、GPS 和座椅加熱則是汽車(chē)設計師夢(mèng)寐以求的功能。除了標準的 12 V 電壓外，根本不需要任何額外的電源。此外，鉛酸電池每節可提供約 2 V 的電壓，因此六節標準電池可提供所需的 12 V 電壓，并具有非�；厩伊畠r(jià)的穩壓功能。
但是，上一代汽車(chē)設計師的夢(mèng)想今天已成為現實(shí)，所有類(lèi)型的汽車(chē)，無(wú)論是傳統汽車(chē)、軟混動(dòng)汽車(chē)、混合電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 還是純電動(dòng)汽車(chē)，都需要更多的電源。功率 (P)（單位：W）= 電壓 x 電流（單位：A）。這個(gè)簡(jiǎn)單的等式告訴我們，提高電壓或電流（或者同時(shí)提高）可獲得更高的功率。但我們也知道，P = A2 x 電阻（單位：歐姆 (Ω)）。也就是說(shuō)，僅僅通過(guò)增加電流來(lái)實(shí)現提高功率，會(huì )使阻性損耗成倍增加，并造成更多的熱管理方面的挑戰。
最好的辦法是提高電壓，以獲得更大的功率。例如，假設我們需要從 12 V 電源提供 75 W 的功率。這需要 75/12 = 6.25 A 的電流。但是，如果我們將電源電壓提高到 48 V，75/48 = 1.6 A 的電流就可以獲得相同的功率。電流減少 75% 意味著(zhù)汽車(chē)設計師可以使用更輕的導線(xiàn)，從而減小重量并降低成本（圖 2）。
圖 2：通過(guò)為關(guān)鍵系統提供 48 V 電源，汽車(chē)設計師可以減少線(xiàn)束的重量和成本。（圖片來(lái)源：Vicor）
汽車(chē)以外的 48 V 電源
汽車(chē)并不是唯一能從 48 V 總線(xiàn)受益的輪式系統。例如，倉庫機器人、輪椅、叉車(chē)和自動(dòng)末端運送車(chē)輛都在利用 48 V 電源（圖 3）。與汽車(chē)不同，這些車(chē)輛主要使用 48 V 電源為牽引電機供電；倉庫機器人幾乎不需要加熱座椅或信息娛樂(lè )系統。
圖 3：得益于為牽引電機提供 48 V 電源，自動(dòng)末端運送車(chē)輛可以更快、更高效地到達目的地。（圖片來(lái)源：Vicor）
在這些類(lèi)型的產(chǎn)品中，12 V 鉛酸電池正被由多個(gè)電池單元組成的 48 V 鋰離子 (Li-ion) 電池所取代。作為工程師，我們知道此類(lèi)電池的標稱(chēng)電壓為 48 V，但隨著(zhù)放電，電壓會(huì )下降。這意味著(zhù)我們需要良好的穩壓功能，以便在電池放電時(shí)保持電壓穩定。
Vicor 提供隔離式（直流 3000 VDC）穩壓式 DC-DC 轉換器線(xiàn)路就是此類(lèi)應用的理想之選。例如，DCM2322T72S53A0T60 轉換器采用 14 V 至 72 V 輸入電壓，提供 48 V 穩壓輸出，電流高達 2.1 A，可實(shí)現 100 W 輸出功率。該轉換器采用高頻零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 拓撲結構，效率高達 90.1%，可保持低溫并延長(cháng)電池壽命，同時(shí)達到每立方英寸 401 瓦 (in.3) 的高功率密度。
提升功率
DCM2322T72S53A0T60 是一款高能效穩壓器，但在某些運行模式下，例如電動(dòng)輪椅爬坡時(shí)，該應用可能需要 100 W 以上的功率。一種選擇是指定輸出功率更大的 48 V DC-DC 穩壓器。例如，DCM2322TA5N53A2M60 可在 48 V 電壓下從 43 V 至 154 V 電源提供最高 120 W 的功率。使用單個(gè)更高功率穩壓器的代價(jià)是，峰值能效通常會(huì )有所下降，而且熱管理變得更具挑戰性。
另外，DCM2322T72S53A0T60 可作為模塊陣列輕松部署，以提高功率輸出。多達八個(gè)單元的陣列已通過(guò)認證，功率可達 800 W。好消息是，陣列的最大功率是單個(gè)模塊最大功率的總和。陣列拓撲結構不會(huì )強制降額。更妙的是，必要時(shí)陣列中的每個(gè)模塊都可以使用不同的輸入電壓供電，而在 48 V 電壓下仍能提供高達 100 W 的功率。
在陣列模式下使用 DCM2322 模塊時(shí)，需要在設計上進(jìn)行權衡：用一個(gè)去耦網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現并聯(lián)運行。實(shí)際上，這意味著(zhù)每個(gè) DCM2322 只需在輸出被饋入公共總線(xiàn)之前安裝一個(gè)輸出電容器。即使所有模塊共用一個(gè)輸入電壓源，每個(gè) DCM2322 也需要一個(gè)單獨的輸入濾波器。濾波器用于限制每個(gè)模塊反射的紋波電流，并協(xié)助抑制拍頻電流的產(chǎn)生，當允許多個(gè)動(dòng)力輸入級直接相互作用時(shí)，可能會(huì )產(chǎn)生拍頻電流（圖 4）。
圖 4：DCM2322 DC-DC 穩壓轉換器可以陣列方式布置，提供高達 800 W 的功率；原理圖顯示了高效、安靜運行所需的輸入濾波器和去耦網(wǎng)絡(luò )。（圖片來(lái)源：Vicor）
結束語(yǔ)
將 12 V 電源轉換為 48 V 電源為倉庫機器人、電動(dòng)輪椅和自動(dòng)末端運送車(chē)等應用帶來(lái)了關(guān)鍵的系統優(yōu)勢。此類(lèi)優(yōu)勢包括降低電流，從而能夠使用重量更輕、成本更低的線(xiàn)束。
但是，隨著(zhù)這些終端產(chǎn)品復雜程度的提高，對電源的需求也在增加。您可以使用多個(gè)并聯(lián)的 Vicor 高功率密度穩壓式 DC-DC 電壓轉換器來(lái)相應地擴展您的電源系統。這樣，就可以讓 48 V 系統提供高達 800 W 或更高的功率。 |
