电动汽车电气化挑战：48V技术可有效分配电源

电动汽车（电动汽车）也许是近年来科技公司和消费者必须面对的最重大挑战之一。虽然越来越需要找到可以彻底改变我们前进方式的环保系统，但也需要确保新的绿色技术在价格和性能方面尽可能高效。

车辆OEM必须满足日益严格的CO2排放标准，同时提高车辆性能以保持竞争力。纯电动汽车（EV），混合电动汽车（HEV）和内燃机汽车（ICE）的电气化解决了这一重大挑战。增加诸如48V，400V和800V之类的高压电池以满足不断增长的功率需求，反过来又增加了功率传输架构的复杂性，并且在尺寸和效率方面提出了新的要求。

轻度混合动力电动汽车（MHEV）系统是电气化的门户。也被认为是轻型混合动力，它们将为混合动力模型的指数增长做出贡献。MHEV系统能够在制动过程中回收车辆能量，并在车辆重新启动过程中提供能量，从而减少了汽油消耗和二氧化碳排放量。

HEV模型的第二种电气化方法包括与ICE一起工作的电动机，使车辆在电动模式下可以100％行驶几公里。另一个流行的替代方法是插电式混合动力汽车（PHEV），其中电池可以由电网充电，零排放时的续航里程增加到约50公里。在这种情况下，电气化程度明显高于MHEV和混合动力技术（购置成本也更高），市场上有数十种PHEV车型。

电动汽车（BEV）缺少ICE，而是由逆变器和电动机的组合提供动力。BEV可通过电网和制动再生过程中充电。在电动汽车中，我们还发现带有小型内燃发动机的增程电动汽车（EREV）专门用作电流发生器，以在电量不足时为电池充电。最后一个类别是由氢燃料电池驱动的燃料电池电动汽车（FCEV）。

图1：按动力总成类型划分的全球预测（来源：Vicor / HIS）

该解决方案不仅可以用于固态电池或氢燃料电池等新能源存储技术，还可以通过减轻重量和采用新的电气架构来提高汽车效率。

当今的电气化挑战

“如今，电气化面临的挑战包括：降低成本，实现积极的CO2排放目标，管理电源要求的变化，为旧的12V负载供电，交付更轻，性能更高的车辆，增加功率水平，更快的充电时间以及管理更高的电压800V和400V电池系统，”Vicor Corporation汽车业务发展全球副总裁Patrick Wadden说。

汽车，卡车，公共汽车和摩托车的制造商正在迅速使他们的车辆电气化，以提高内燃机的燃油效率并减少CO2排放量。电气化选择很多，但是大多数制造商都选择48伏轻度混合动力系统，而不是全混合动力总成。在轻度混合动力系统中，除了传统的12V电池外，还增加了48V电池。

“车辆中装有800伏或400伏电池。Vicor从电池中获取800或400伏特的电压，并将功率转换为48伏特，以为诸如电动涡轮增压器，前挡风玻璃和冷却泵之类的负载供电。由800或400伏电池供电的系统可以选择完全省去48V电池并创建虚拟48V电池。消除了48V电池，为OEM提供了更高的功率密度，减轻了重量和尺寸，所有这些都使车辆的行驶范围得以扩展。这些解决方案具有可扩展性，因此可以满足豪华车的入门级需求。” Wadden说。

图3：从过载的12V机械电压转换为48V（来源：Vicor）

48V技术可有效分配电源

48V技术将电源能力提高了4倍（P = V•I），可用于较重的负载，例如空调和启动时的催化转化器。为了提高车辆性能，该48V系统可以为混合动力发动机提供动力，该混合动力发动机可实现更快，更平稳的加速，同时节省燃油。

Wadden说：“克服对修改长期成本优化的12伏输电网络（PDN）的犹豫可能是最大的挑战。”他继续说：“对于汽车行业而言，48V轻度混合动力系统提供了一种方法，可以快速引入排放量更低，续航里程更长，油耗更高的新车，并且具有实用性。它还提供了令人兴奋的新设计选项，以实现更高的性能和功能，同时仍减少CO2排放。

所使用的绝大多数集中式DC-DC转换器体积大而笨重，因为它们使用了旧的PWM低频开关拓扑。要考虑的最新架构是使用电源模块的分散式电源传输（图4）。

“使用分散模型的好处甚至可以在车辆周围较轻的电缆布线的系统级实现。在使阻抗和电阻最小化方面，将转换器放置在距离负载最近的位置有一些好处。可以简化冷却方法，在某些情况下可以消除冷却板或液体冷却。Wadden说：“通过更多选择来实现功能安全的选择以及灵活性都将发挥作用。”

这种电源传输架构使用较小的低功耗48V至12V转换器。分散式电源架构在电源系统中提供了显着的热管理优势。

“让我们看一下集中式系统与分散式系统的高级示意图。在左侧，我们有一个传统的3kW银盒，传统上带有400V输入到12V输出，可为汽车中的12V负载供电。右边是一个如何在汽车周围使用48V的示例：转换器被放置在负载点的右边，分散模型消除了大银盒，并根据需要在车辆周围分配了电源。这也允许实施带有备用耗材的ASIL FUSA。随着功率需求的增加，管理变得越来越困难，并且不能继续添加这些较旧的传统银盒，” Wadden说。

新的48V PDN必须支持具有更高功率要求的传统12V负载，以及使用电缆的新大功率驱动，转向和制动系统。与更大，更笨重的分立解决方案相比，要在越来越多的负载下提供更多的48V电源，就需要高密度的模块。Vicor提供了多个用于从48V供电的模块。这些器件包括固定比率和稳压转换解决方案，它们在降压或升压模式下均支持48V和12V负载。这些转换器可以包含在单个外壳中，也可以使用更小，更轻的48V PDN分布在整个车辆中。

图5：使用效率高达94％的传统转换器管理功耗（来源：Vicor）

图6：Vicor解决方案（来源：Vicor）

当OEM需要在车辆附近最靠近负载的地方放置电压转换级，或者将48V降压至12V或将12V升高至48V时，Vicor NBM可用于分散式架构。

通过使用400V和800V充电站，车辆与任何充电站的兼容性都需要尽可能简单但最有效的转换解决方案。NBM6123采用61 x 23mm CM-ChiP封装提供6.4kW固定比率的400V和800V转换，从而实现了可扩展的，高效率，高密度的解决方案，以实现路边充电站与不同车辆之间的兼容性。Vicor解决方案的双向功能允许同一模块用于升压或降压转换。NBM6123还可以用于在充电过程中将能量输送到车辆以进行空调，从而最大程度地减少了电池平衡电路。

结论

如今，汽车电气化已采取多种形式，而为它们提供动力非常复杂。车辆具有许多不同的系统，每个系统可能具有不同的功率要求。模块化电源方法本质上具有更大的灵活性和可扩展性，能够应对众多挑战。Vicor的高性能解决方案体积小，重量轻，旨在解决任何系统的电源转换，充电和传输问题。
编辑：hfy