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使用48V分布式電源架構解決汽車電氣化難題

2020-02-12 02:03:33 Vicor

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轎車、卡車、公交車及摩托車制造商都在快速為其車輛實現電氣化，以提高內燃機的燃油效率，減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但大多數制造商都沒有選擇完全混合動力總成，而是選擇 48 伏輕度混合動力系統。輕度混合動力系統除了有傳統 12V 電池之外，還新增了一款 48V 電池。

這可增加 4 倍的電量 (P = V • I)，用于催化式排氣凈化器等重負荷。48V 系統可為混合動力發動機供電，在節省燃油的同時，更快、更平穩的加速，以提高車輛性能。額外的電源不僅可為轉向、剎車以及懸架系統提供支持，而且還可增加新的安全、娛樂及舒適特性。

引入 48 伏輕度混合動力系統，一旦完成設計，會有很大的優勢。克服對長期存在的 12 伏供電網絡 (PDN) 進行改造的猶豫可能是最大的挑戰。改變供電通常需要必須進行大量測試的新技術，而且可能還需要能夠按汽車產業的高安全性及高質量標準供電的全新供應商。

但數據中心行業在轉向 48V PDN 的過程中發現，這樣做的優勢遠遠超過了轉換成本。對于汽車產業來說，48V 輕度混合動力系統帶來了快速推出排放更低、行駛里程更遠、油耗更低的全新車輛的途徑。此外，它還可為提高性能特性并減少二氧化碳排放提供令人振奮的全新設計選項。

如何最大化 48V 供電網絡

增加 48V 電池，為更重的動力總成及底盤系統負載供電，可為工程師提供各種選項。現在有一個增加系統的選擇，可以直接處理 48V 輸入，也可以保留泵、風扇和電機等原有 12V 機電負載，無需通過穩壓 DC-DC 轉換器將 48V 轉換成 12V。為了管理變革與風險，現有輕度混合動力供電系統逐漸增加 48V 負載的同時，仍使用大型集中式數千瓦 48V 至 12V 轉換器，將整個汽車的 12V 電源提供給 12V 負載。然而，這種集中式架構不僅沒有完全利用 48V PDN 的優勢，而且也沒有利用現在可用的高級轉換器拓撲、控制系統與封裝的優勢。

這些集中式 DC-DC 轉換器（圖 1）絕大多數都很笨重，因為它們使用較早的低頻率開關 PWM 拓撲。此外，它們也會為大量關鍵動力總成系統帶來單點故障。

另外一種需要考慮的架構是使用模塊化電源組件進行分布式供電（圖 2）。該供電架構使用更小、更低功耗的 48 至 12V 轉換器，在整個接近 12V 負載的車輛中配電。簡單的功率方程式 P = V • I 和 P_LOSS = I²R 就可以說明為什么 48V 配電比 12V 更高效。

對于給定功率級而言，與 12V 系統相比，48V 系統電流低四倍、功耗低 16 倍。在 1/4 的電流下，電纜和連接器可能會更小、更輕，而且成本也會更低。此外，分布式電源架構還有顯著的熱管理及電源系統冗余優勢（圖 4）。

分布式架構的模塊化組件優勢
分布式供電（圖 5）的模塊化方法具有高度的可擴展性。

圖 5 混合動力電動車的模塊化方法

電池的 48V 輸出分配給車內各種高功率負載，從而可使更低電流（4 倍）及更低功耗（16倍）的優勢最大化，帶來更小、更輕的 PDN。根據不同分布式負載的負載電源分析，可以設計一個模塊并對其進行適當功率粒度及擴展性認證，用于并行陣列。

本實例中是 2kW 模塊。如前文所述，粒度和可擴展性主要看系統。通過使用分布式模塊代替大型集中式 DC-DC 轉換器，N+1 冗余也能夠以顯著降低的成本實現。如果負載功耗在汽車開發階段有變，該方法依然有優勢。工程師可以增減模塊，無需對整個完成的定制電源進行修改。另一個設計優勢是縮短開發時間，因為模塊已獲得批準和認證。

在更高電壓的電池系統中實施分布式模塊化 48V 架構

圖 6 純電動車的模塊化方法

純電動車或高性能混合動力車可使用高電壓電池，因為動力總成和底盤系統功率需求很高。48V SELV PDN 對于 OEM 廠商而言依然有顯著的優勢，但是現在，電源系統設計人員有了額外的挑戰，即高功率 800V 或 400V 至 48V的轉換。

此外，這款高功率 DC-DC 轉換器還需要隔離，但不需要穩壓。分散 48V 至 12V 轉換器布置的一大優勢是更好的穩壓。上游高功率轉換器可通過使用穩壓 PoL 轉換器，使用固定比率拓撲。這具有極大的優勢，因為 16:1 或 8：1 的寬輸入至輸出電壓范圍分別適用于 800/48 和 400/48。在該范圍內使用穩壓轉換器不僅效率很低，而且還會給熱管理帶來很大的問題。

由于400V 或 800V 配電時的安全要求，分散布置這款高電壓隔離轉換器不僅非常困難，而且成本還很高。然而，高功率集中式固定比例轉換器可使用電源模塊取代大型“銀盒”DC-DC 轉換器進行設計。

可以開發具有適當粒度及可擴展性的電源模塊，然后進行輕松并聯，用于具有不同動力總成及底盤電氣化要求的廣泛車輛。此外，Vicor 固定比率母線轉換器 (BCM®) 還是雙向的，支持各種能源再生方案。BCM 采用正弦振幅轉換器 (SAC™) 高頻率軟開關拓撲，可實現 98％以上的效率。它們還具有 2.6kW/in³ 的功率密度，可顯著縮小集中式高電壓轉換器的尺寸。