汽車，卡車，公共汽車和摩托車的制造商正在迅速為其車輛增加電氣化內容，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輕度混合動力系統(tǒng)，而不是完整的混合動力總成。在輕度混合動力系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)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。為了提高車輛性能，該48V系統(tǒng)可以為混合動力發(fā)動機提供動力，混合動力發(fā)動機可實現更快，更平穩(wěn)的加速，同時節(jié)省燃料。額外的動力還可以支持轉向、制動和懸架系統(tǒng)，以及新的安全，娛樂和舒適性等功能。

引入48V混合動力系統(tǒng)具有巨大的進步空間?？朔π薷拈L期存在的12V輸電網絡（PDN）可能是最大的挑戰(zhàn)。電源變化通常需要廣泛測試新技術，同時需要能夠滿足汽車行業(yè)高安全性和質量標準的新供應商。

 

但是，隨著數據中心行業(yè)轉向48V PDN，其優(yōu)勢遠遠超過了轉換成本。對于汽車行業(yè)而言，48V混合動力系統(tǒng)提供了一種全新方法來快速引入排放量更低、續(xù)航里程更長且油耗更低的新型汽車。它還提供了令人興奮的新設計選項，以實現更高的性能和功能，同時仍減少二氧化碳排放量。

 

最大化PDN

 

添加48V電池為較重的動力總成和底盤系統(tǒng)負載供電，為工程師提供了選擇。現在，可以選擇添加一些系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以直接處理48V輸入，或者通過穩(wěn)壓DC / DC轉換器將48V轉換為12V，從而保留傳統(tǒng)的12V機電負載（如泵，風扇和電動機）。為了應對變化和風險，現有的輕度混合動力輸電系統(tǒng)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有充分利用48V PDN的優(yōu)勢，也沒有利用現有的高級轉換器拓撲、控制系統(tǒng)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）開關拓撲。對于許多關鍵的動力總成系統(tǒng)，它們容易發(fā)生單點故障。

 

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負載的整個車輛的近負載點中分布。

 

根據電壓越高，電流越小，導線損失就越小可知，對于給定的功率水平，在48V時的電流是12V系統(tǒng)中電流的1/4，損耗（I2R）低16倍。在電流的1/4時，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的熱管理和電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢（圖2）。這是在整個車輛中散布kW級功率的另一種方式，而不需傳統(tǒng)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：混合動力汽車的模塊化方法。

 

電池的48V輸出分配到車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，可以設計一個模塊并通過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(tǒng)的功率等級。

 

在此示例中，顯示了一個2kW的模塊，粒度和可伸縮性取決于系統(tǒng)。通過使用分布式模塊代替大型集中式DC / DC轉換器，N + 1冗余也可以以更低的成本實現。如果負載功率在車輛開發(fā)階段發(fā)生改變，則該方法同樣更為方便。工程師無需添加或修改接地的定制電源，而是可以通過添加或刪除模塊進行縮放。另一個設計優(yōu)勢是減少了開發(fā)時間，因為該模塊已經獲得批準和認證。

 

圖4顯示了全電動汽車中的模塊化應用領域。

 

圖4：全電動汽車中分散式48V架構的模塊化應用。

 

對于純電動汽車或高性能混合動力汽車，由于動力總成和底盤系統(tǒng)的高功率需求，因此使用了高壓電池。48V SELV PDN對于OEM仍然具有顯著優(yōu)勢，但是現在，電源系統(tǒng)設計人員還面臨著大電壓800V或400V轉換至48V的挑戰(zhàn)。

 

這種高功率DC / DC轉換器也需要隔離但不需要調節(jié)。通過使用穩(wěn)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(wěn)壓轉換器效率非常低，并且存在很大的熱管理問題。OEM經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品以快速的壓擺率提供快速的電流輸出，使汽車OEM可以減輕12至14kg不必要的48V電池。

 

由于在分配400V或800V時的安全要求，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轉換器來設計高功率集中式固定比率轉換器。

 

可以開發(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)用于具有不同動力總成和底盤電氣化要求的一系列車輛。 Vicor固定比率總線轉換器（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，軟開關拓撲，BCM的效率超過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。

 

汽車電源系統(tǒng)的模塊化方法簡化了復雜的電源交付挑戰(zhàn)，提高了性能，生產效率和上市時間。

（來源：Vicor，作者：Patrick Wadden，Vicor汽車業(yè)務全球副總裁；Nicolas Richard，Vicor汽車業(yè)務總監(jiān)）