电动汽车模块化电源解决方案

电动汽车（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。虽然越来越需要寻找能够彻底改变我们出行方式的环保系统，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） 和内燃机汽车 （ICE） 的电气化解决了这一重大挑战。增加更高电压的电池，如 48V、400V 和 800V 以满足不断增长的功率要求，反过来又增加了供电架构的复杂性，并对尺寸和效率提出了新的要求

轻度混合动力汽车 （MHEV） 系统是电气化的门户。也被确定为轻混合动力推进，它们将有助于混合动力模型的指数增长。MHEV系统能够在制动时回收车辆能量，并在车辆重新启动时提供能量，从而减少气体消耗和二氧化碳排放。

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），电池可以通过电网充电，零排放时的续航里程增加到约 50 公里。在这种情况下，电气化明显高于 MHEV 和混合动力技术——购买成本也是如此——市场上有数十款 PHEV 车型。

纯电动汽车 （BEV） 没有 ICE，而是由逆变器和电动机的组合提供动力。BEV 可通过电网充电并在制动再生期间进行充电。在电动汽车中，我们还发现带有小型内燃机的增程式电动汽车 （EREV），专门用作电流发生器，以便在电量低时为电池充电。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、管理电源要求的变化、为传统 12V 负载供电、提供更轻、性能更高的车辆、增加功率水平、更快的充电时间和管理更高的电压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为其车辆电气化，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 48 伏轻度混合动力系统，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 48V 电池。

“车辆中有一个 800 或 400 伏的电池。Vicor 从电池中获取 800 或 400 伏电压，并将电源转换为 48 伏电压，为电动涡轮、前挡风玻璃和冷却泵等负载供电。由 800 或 400 伏电池供电的系统可以选择完全取消 48V 电池并创建虚拟 48V 电池。取消48V 电池为 OEM 提供了更高的功率密度、重量和尺寸的减轻，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，因此可以满足入门级豪华车的需求，”Wadden 说。

48V 技术有效分配电源

48V 技术将功率容量提高了 4 倍（P = V • I），可用于较重的负载，例如启动时的空调和催化转换器。为了提高车辆性能，48V 系统可以为混合动力电机提供动力，该电机用于在节省燃油的同时实现更快、更平稳的加速。

“克服对修改长期成本优化的 12 伏供电网络 （PDN） 的犹豫可能是最大的挑战，”Wadden 说。他继续说道，“对于汽车行业而言，48V 轻度混合动力系统提供了一种快速推出具有更低排放、更长航程和更高油耗和实用方法的新车的方法。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。”

所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。需要考虑的最新架构是使用电源模块的分散式供电。

“使用分散模型的好处可以在系统级实现，车辆周围的电缆重量更轻：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，其中一些冷却方法可以简化，在某些情况下可以取消冷板或液体冷却。通过更多选项和灵活性来实现功能安全的选项开始发挥作用，”Wadden 说。

这种供电架构使用更小、功耗更低的 48V 至 12V 转换器。分散式电源架构为电源系统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。在左侧，我们有一个传统的 3kW 银盒，传统上具有 400V 输入到 12V 输出，为汽车中的 12V 负载供电。右侧是如何在汽车周围使用 48V 的示例：转换器直接放置在负载点处，分散模型取消了大银盒，并根据需要在车辆周围进行配电。这也允许使用冗余电源实施 ASIL FUSA。随着电力需求的增加，管理变得越来越困难，并且无法继续添加这些旧的传统银箱，”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高功率驱动、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 提供多种用于 48V 供电的模块。这些器件包括在降压或升压模式下支持 48V 和 12V 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。

Vicor NBM 用于分散式架构，每当 OEM 需要在最靠近负载的车辆周围放置电压转换级并将 48V 降压至 12V 或将 12V 升压至 48V 时。

通过使用 400V 和 800V 充电站，车辆与任何充电站的兼容性需要一种尽可能简单但最重要的是高效的转换解决方案。NBM6123 在 61 x 23mm CM-ChiP 封装中提供 6.4kW 固定比率 400V 和 800V 转换，从而实现可扩展、高效、高密度的解决方案，以实现路边充电站和不同车辆之间的兼容性。Vicor 解决方案的双向功能允许使用同一个模块进行升压或降压转换。NBM6123 还可用于在充电期间为车辆供电以进行空调，从而最大限度地减少电池平衡电路。

结论

如今，汽车电气化的发展有多种形式，为它们提供动力是很复杂的。一辆车有许多不同的系统，每个系统可能有不同的功率要求。模块化电源方法本质上更灵活和可扩展，能够解决无数这些挑战。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、充电和输送问题。

审核编辑：郭婷