用于电动汽车的48V系统

电动汽车技术（e-mobility）可能是近年来科技公司和消费者不得不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移动方式的环保系统，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和有效。

汽车 OEM 需要满足日益严格的 CO 2排放标准，同时提高车辆性能以保持竞争力。纯电动汽车 (EV)、混合动力电动汽车 (HEV) 和内燃机 (ICE) 车辆的电气化解决了这一重大挑战。增加更高电压的电池（例如 48 V、400 V 和 800 V）来满足不断增长的电力需求，反过来又增加了电力输送架构的复杂性，并在尺寸和效率方面提出了新的要求。

轻度混合动力汽车 (MHEV) 系统是通向电气化的门户。也被确定为轻型混合动力推进，它们将有助于混合模型的指数增长。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，从而减少气体消耗和CO 2排放。

HEV 车型的第二种电气化方法涉及电动机与 ICE 一起工作，使车辆能够在电动模式下 100% 行驶几公里。另一种流行的替代方案是插电式混合动力电动汽车 (PHEV)，其中电池可以通过电网充电，零排放的续航里程增加到约 50 公里。在这种情况下，电气化明显高于 MHEV 和混合动力技术——购买成本也是如此——有数十种 PHEV 车型进入市场。

电池电动汽车 (BEV) 没有内燃机，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期间充电。在电动汽车中，我们还发现了增程式电动汽车 (EREV)，其小型内燃机专门用作电流发电机，在电量不足时为电池充电。最后一类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

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新的电气架构来提高汽车效率。

当今的电气化挑战

“当今电气化面临的挑战如下：降低成本；满足积极的 CO 2排放目标；管理电力需求的变化；为传统 12V 负载供电；交付更轻、性能更高的车辆；提高功率水平；更快的充电时间；并管理来自 800-V 和 400-V 电池系统的更高电压，”Vicor 公司汽车业务开发全球副总裁 Patrick Wadden 说。

汽车、卡车、公共汽车和摩托车的制造商正在迅速实现车辆电气化，以提高内燃机的燃油效率并减少 CO 2排放。有许多电气化选择，但大多数制造商选择的是 48 V 轻度混合动力系统，而不是全混合动力系统。在轻度混合动力系统中，除了传统的 12V 电池外，还增加了一个 48V 电池。

“车辆中有一个 800 伏或 400 伏的电池，”瓦登说。“Vicor 从电池中获取 800 或 400 V 的电压，并将其转换为 48 V 的电压，为电动涡轮增压器、前挡风玻璃和冷却泵等负载供电。由 800 或 400 V 电池供电的系统可以选择完全取消 48 V 电池并创建一个虚拟 48 V 电池。取消 48V 电池为 OEM 提供了更高的功率密度并减小了重量和尺寸，所有这些都可以扩大车辆的续航里程。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。”

48V 技术有效地分配电力

48V技术将功率能力提升4倍（P = V × I），可用于更重的负载，例如启动时的空调和催化转换器。为了提高车辆性能，48 V 系统可以为混合动力电机提供动力，该电机用于实现更快、更平稳的加速，同时节省燃料。

“克服对修改长期成本优化的 12V 供电网络 [PDN] 的犹豫不决可能是最大的挑战，”Wadden 说。“对于汽车行业，48V 轻度混合动力系统提供了一种快速推出具有更低排放、更长续航里程和更高油耗的新车的方法，以及一种实用的方法。它还提供了新的和令人兴奋的设计选项，以实现更高的性能和功能，同时仍然减少 CO 2排放。”

使用的绝大多数集中式 DC/DC 转换器体积庞大且笨重，因为它们使用旧的 PWM 低频开关拓扑。需要考虑的更新架构是使用电源模块的分散式供电。

“使用分散式模型的好处可以在系统级别通过车辆周围的更轻电缆实现更多，”Wadden 说。“在最小化阻抗和电阻方面，将转换器放置在最靠近负载的地方有一些很好的好处，可以简化一些冷却方法，在某些情况下，可以消除冷板或液体冷却。通过更多选项和灵活性实现功能安全的选项开始发挥作用。”

这种供电架构使用更小、功耗更低的 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图表，”Wadden 说。“在左侧，我们有一个传统的 3 kW 银盒，传统上具有 400 V 输入和 12 V 输出，为汽车中的 12 V 负载供电。右侧是汽车周围如何使用 48 V 的示例：转换器放置在负载点；分散式模型取消了大银盒，并根据需要在车辆周围分布配电。这也允许使用冗余电源实施 ASIL FUSA。随着电源需求的增加，管理变得越来越困难，并且继续添加这些旧的传统银盒不是一种选择。”

新的 48-V PDN 必须支持具有更高功率要求的传统 12-V 负载以及使用电缆的新型大功率驱动、转向和制动系统。与更大、更笨重的分立解决方案相比，在负载数量不断增加的情况下提供更多 48V 电源需要高密度模块。Vicor 提供了多个用于从 48 V 供电的模块。这些设备包括在降压或升压模式下支持 48 V 和 12 V 负载的固定比率和稳压转换解决方案。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。

当 OEM 需要在离负载最近的车辆周围放置电压转换级并将 48 V 降压至 12 V 或将 12 V 升压至 48 V 时，Vicor NBM 可用于分散式架构。

通过使用 400-V 和 800-V 充电站，车辆与任何充电站的兼容性需要一个尽可能简单但最重要的是高效的转换解决方案。NBM6123 在 61 × 23-mm CM-ChiP 封装中提供 6.4-kW 固定比率 400-V 和 800-V 转换，为路边充电站和不同车辆之间的兼容性提供可扩展、高效、高密度的解决方案. Vicor 解决方案的双向功能允许使用同一模块进行升压或降压转换。NBM6123 还可用于在充电期间为车辆提供电力以进行空调，从而最大限度地减少电池平衡电路。

审核编辑：郭婷