電動(dòng)汽車（e-mobility）可能是近年來科技公司和消費(fèi)者不得不面對(duì)的最重大挑戰(zhàn)之一。雖然越來越需要尋找能夠徹底改變我們出行方式的環(huán)保系統(tǒng)，但也需要確保新的綠色技術(shù)在價(jià)格和性能方面盡可能高效和有效。

汽車 OEM 需要滿足日益嚴(yán)格的 CO 2排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提高車輛性能以保持競(jìng)爭(zhēng)力。純電動(dòng)汽車 （EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （HEV） 和內(nèi)燃機(jī)汽車 （ICE） 的電氣化解決了這一重大挑戰(zhàn)。增加更高電壓的電池，如 48V、400V 和 800V 以滿足不斷增長(zhǎng)的功率要求，反過來又增加了供電架構(gòu)的復(fù)雜性，并對(duì)尺寸和效率提出了新的要求

輕度混合動(dòng)力汽車 （MHEV） 系統(tǒng)是電氣化的門戶。也被確定為輕混合動(dòng)力推進(jìn)，它們將有助于混合動(dòng)力模型的指數(shù)增長(zhǎng)。MHEV系統(tǒng)能夠在制動(dòng)時(shí)回收車輛能量，并在車輛重新啟動(dòng)時(shí)提供能量，從而減少氣體消耗和二氧化碳排放。

HEV 車型的第二種電氣化方法涉及電動(dòng)機(jī)與 ICE 一起工作，使車輛能夠在電動(dòng)模式下 100% 行駛幾公里。另一種流行的替代方案是插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （PHEV），電池可以通過電網(wǎng)充電，零排放時(shí)的續(xù)航里程增加到約 50 公里。在這種情況下，電氣化明顯高于 MHEV 和混合動(dòng)力技術(shù)——購買成本也是如此——市場(chǎng)上有數(shù)十款 PHEV 車型。

純電動(dòng)汽車 （BEV） 沒有 ICE，而是由逆變器和電動(dòng)機(jī)的組合提供動(dòng)力。BEV 可通過電網(wǎng)充電并在制動(dòng)再生期間進(jìn)行充電。在電動(dòng)汽車中，我們還發(fā)現(xiàn)帶有小型內(nèi)燃機(jī)的增程式電動(dòng)汽車 （EREV），專門用作電流發(fā)生器，以便在電量低時(shí)為電池充電。最后一類是由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車 （FCEV）。

圖 1：按動(dòng)力總成類型劃分的全球預(yù)測(cè)

解決方案不僅可以用于固態(tài)電池或氫燃料電池等新能源存儲(chǔ)技術(shù)，還可以通過減輕重量和新的電氣架構(gòu)來提高汽車效率。

當(dāng)今的電氣化挑戰(zhàn)

“當(dāng)今電氣化面臨的挑戰(zhàn)如下：降低成本、滿足積極的 CO 2排放目標(biāo)、管理電源要求的變化、為傳統(tǒng) 12V 負(fù)載供電、提供更輕、性能更高的車輛、增加功率水平、更快的充電時(shí)間和管理更高的電壓800V 和 400V 電池系統(tǒng)，” Vicor Corporation汽車業(yè)務(wù)發(fā)展全球副總裁 Patrick Wadden 說。

汽車、卡車、公共汽車和摩托車的制造商正在迅速為其車輛電氣化，以提高內(nèi)燃機(jī)的燃油效率并減少 CO 2排放。有許多電氣化選擇，但大多數(shù)制造商選擇 48 伏輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，而不是全混合動(dòng)力系統(tǒng)。在輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的 12V 電池外，還增加了 48V 電池。

“車輛中有一個(gè) 800 或 400 伏的電池。Vicor 從電池中獲取 800 或 400 伏電壓，并將電源轉(zhuǎn)換為 48 伏電壓，為電動(dòng)渦輪、前擋風(fēng)玻璃和冷卻泵等負(fù)載供電。由 800 或 400 伏電池供電的系統(tǒng)可以選擇完全取消 48V 電池并創(chuàng)建虛擬 48V 電池。取消48V 電池為 OEM 提供了更高的功率密度、重量和尺寸的減輕，所有這些都可以擴(kuò)大車輛的續(xù)航里程。這些解決方案具有可擴(kuò)展性，因此可以滿足入門級(jí)豪華車的需求，”Wadden 說。

48V 技術(shù)有效分配電源

48V 技術(shù)將功率容量提高了 4 倍（P = V ? I），可用于較重的負(fù)載，例如啟動(dòng)時(shí)的空調(diào)和催化轉(zhuǎn)換器。為了提高車輛性能，48V 系統(tǒng)可以為混合動(dòng)力電機(jī)提供動(dòng)力，該電機(jī)用于在節(jié)省燃油的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更快、更平穩(wěn)的加速。

“克服對(duì)修改長(zhǎng)期成本優(yōu)化的 12 伏供電網(wǎng)絡(luò) （PDN） 的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn)，”Wadden 說。他繼續(xù)說道，“對(duì)于汽車行業(yè)而言，48V 輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)提供了一種快速推出具有更低排放、更長(zhǎng)航程和更高油耗和實(shí)用方法的新車的方法。它還提供了新的和令人興奮的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)更高的性能和功能，同時(shí)仍然減少 CO 2排放。”

所使用的絕大多數(shù)集中式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器體積龐大且笨重，因?yàn)樗鼈兪褂门f的 PWM 低頻開關(guān)拓?fù)洹Ｐ枰紤]的最新架構(gòu)是使用電源模塊的分散式供電。

“使用分散模型的好處可以在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)，車輛周圍的電纜重量更輕：在最小化阻抗和電阻方面，將轉(zhuǎn)換器放置在最靠近負(fù)載的地方有一些很好的好處，其中一些冷卻方法可以簡(jiǎn)化，在某些情況下可以取消冷板或液體冷卻。通過更多選項(xiàng)和靈活性來實(shí)現(xiàn)功能安全的選項(xiàng)開始發(fā)揮作用，”Wadden 說。

這種供電架構(gòu)使用更小、功耗更低的 48V 至 12V 轉(zhuǎn)換器。分散式電源架構(gòu)為電源系統(tǒng)提供了顯著的熱管理優(yōu)勢(shì)。

“讓我們看一下集中式系統(tǒng)與分散式系統(tǒng)的高級(jí)圖。在左側(cè)，我們有一個(gè)傳統(tǒng)的 3kW 銀盒，傳統(tǒng)上具有 400V 輸入到 12V 輸出，為汽車中的 12V 負(fù)載供電。右側(cè)是如何在汽車周圍使用 48V 的示例：轉(zhuǎn)換器直接放置在負(fù)載點(diǎn)處，分散模型取消了大銀盒，并根據(jù)需要在車輛周圍進(jìn)行配電。這也允許使用冗余電源實(shí)施 ASIL FUSA。隨著電力需求的增加，管理變得越來越困難，并且無法繼續(xù)添加這些舊的傳統(tǒng)銀箱，”Wadden 說。

新的 48V PDN 必須支持具有更高功率要求的傳統(tǒng) 12V 負(fù)載以及使用電纜的新高功率驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)。與更大、更笨重的分立解決方案相比，在負(fù)載數(shù)量不斷增加的情況下提供更多 48V 電源需要高密度模塊。Vicor 提供多種用于 48V 供電的模塊。這些器件包括在降壓或升壓模式下支持 48V 和 12V 負(fù)載的固定比率和穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換解決方案。這些轉(zhuǎn)換器可以包含在單個(gè)外殼中，也可以使用更小、更輕的 48V PDN 分布在整個(gè)車輛中。

Vicor NBM 用于分散式架構(gòu)，每當(dāng) OEM 需要在最靠近負(fù)載的車輛周圍放置電壓轉(zhuǎn)換級(jí)并將 48V 降壓至 12V 或?qū)?12V 升壓至 48V 時(shí)。

通過使用 400V 和 800V 充電站，車輛與任何充電站的兼容性需要一種盡可能簡(jiǎn)單但最重要的是高效的轉(zhuǎn)換解決方案。NBM6123 在 61 x 23mm CM-ChiP 封裝中提供 6.4kW 固定比率 400V 和 800V 轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、高效、高密度的解決方案，以實(shí)現(xiàn)路邊充電站和不同車輛之間的兼容性。Vicor 解決方案的雙向功能允許使用同一個(gè)模塊進(jìn)行升壓或降壓轉(zhuǎn)換。NBM6123 還可用于在充電期間為車輛供電以進(jìn)行空調(diào)，從而最大限度地減少電池平衡電路。

結(jié)論

如今，汽車電氣化的發(fā)展有多種形式，為它們提供動(dòng)力是很復(fù)雜的。一輛車有許多不同的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)可能有不同的功率要求。模塊化電源方法本質(zhì)上更靈活和可擴(kuò)展，能夠解決無數(shù)這些挑戰(zhàn)。Vicor 的高性能解決方案體積小、重量輕，旨在解決任何系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換、充電和輸送問題。

審核編輯：郭婷