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电源模组在过渡到48V 区域架构提供决定性优势
 

【作者: Vicor】2024年02月06日 星期二

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特斯拉最近宣布,未来所有特斯拉电动汽车都将采用 48V 低压系统。随着产业朝此方向发展,将为OEM厂商以及一级供应商的适应带来机遇和挑战。采用分散式区域架构,在负载端将 48V 转换为 12V,为架构这类系统最有效的方法。而Vicor高功率密度小型模组可使得设计和建构区域架构变得简单,为 xEV提供支援。


汽车、卡车、公共汽车及摩托车制造商正在快速实现车辆电气化以减少 CO2排放。OEM厂商在采用多种方法实现电气化,混合动力系统、??电式混合动力汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)是主要的电气化途径。虽然混合动力和 PHEV 动力系统保留了内燃机,并与基於交流发电机的 12V PDN 紧密相连,但纯电动汽车平台为 OEM 厂商设计纯电动汽车的PDN提供全新的思路。


然而,人们对於修改长期存在的 12V 供电网路(PDN)却普遍犹豫不决。变革通常需要经过广泛测试的新技术,可能还需要能够提供汽车产业高安全及高品质标准的全新提供商。


使用电源模组最大化48V PDN

在纯电动汽车平台中,电源是高压(HV)(400 或 800V)电池,该高电压需要降至60V以下的安全超低电压(SELV)。SELV的第一个工作等级为48V,或者OEM厂商也可将电源降至24V或12V,用於汽车 PDN。现在可以选择新增能直接处理48V输入的系统,也可以保留泵、风扇和电机等传统12V机电负载,而透过 DC-DC 稳压转换器将48V 转换成12V。


为了管理变化和风险,现有纯电动汽车供电系统正在逐渐增加 48V负载,但仍然使用大型集中式数千瓦高压至12V的转换器,为整个汽车提供12V电源。然而,这种集中式架构没有完全利用48V PDN 的优势,也没有利用可用的先进转换器拓扑、控制系统和封装的优势。



图一 : 传统12V集中式架构使用较粗的布线,支援单点转换(银盒)至12V,这本身就比区域(zonal)架构重,效率更低。
图一 : 传统12V集中式架构使用较粗的布线,支援单点转换(银盒)至12V,这本身就比区域(zonal)架构重,效率更低。

图二 : 48V区域架构(zonal architecture)在整个车辆中使用较细的 10 号线,可将缆线重量锐减 85%。此外,分散48V至12V的转换点,还可在端点使用电源模组实现高效对流散热。
图二 : 48V区域架构(zonal architecture)在整个车辆中使用较细的 10 号线,可将缆线重量锐减 85%。此外,分散48V至12V的转换点,还可在端点使用电源模组实现高效对流散热。

这些集中式 DC-DC 转换器(图一)绝大多数都很笨重,因为它们使用较早的低频率 PWM 切换拓扑。此外,对於大量重要供电链系统来说,他们也代表了单点故障。这些集中式系统还将热负荷集中在一个点上,需要一套很大的散热系统(图三)。


需要考虑的另一种架构是使用模组化电源元件的区域供电(图二)。该供电架构使用更小、更低功耗的 48 至 12V 转换器,在车辆各处接近 12V 负载的地方配电。简单的功率方程式 P = V · I 和 PLOSS = I2R 就可以说明为什麽 48V 配电比 12V 更高效。


对於设定功率等级而言,48V 时的电流是 12V 的四分之一,功耗 (I2R) 为 1/16。在1/4电流下,缆线和连接器可以更小、更轻,而且成本也会更低。此外,区域电源架构还具有显着的热管理及电源系统备援优势(图四),这是为整个车辆中传输数千瓦电源的另一种途径,无需考虑传统 DC-DC 转换器的重量、散热问题和体积。



图三 : 标准DC-DC转换器的效率只有94%,部分原因是集中式外壳内的品质转换很难散热,会影响效率。此外,这种传统方法还会在车辆中占用更大的系统空间。
图三 : 标准DC-DC转换器的效率只有94%,部分原因是集中式外壳内的品质转换很难散热,会影响效率。此外,这种传统方法还会在车辆中占用更大的系统空间。

图四 : 区域架构不仅运行更细、更轻的缆线,并将转换从车辆的中心位置转移到了端点区域。精巧的电源模组在负载位置将 48V 转换为 12V,透过分散转换点,实现对流散热并提高转换效率。
图四 : 区域架构不仅运行更细、更轻的缆线,并将转换从车辆的中心位置转移到了端点区域。精巧的电源模组在负载位置将 48V 转换为 12V,透过分散转换点,实现对流散热并提高转换效率。

区域架构的模组化提升效率

使用模组化方法进行分散式供电(图四)具有高度的可扩充性。


电池的 48V 输出分配给车内各种高功率负载,最大限度提高了更低电流(4 倍)及更低功耗(16倍)的优势,从而实现了更小、更轻的 PDN。根据对各种分散式负载的负载功率分析,可针对适当的功率进行模组设计和认证,然後可透过将其用於并联阵列来调高系统功率等级。


本实例展示的是一个 2kW 模组。如前文所述,颗数和可扩充性根据系统而定。将模组分散至端点区域,而不是使用大型集中式 DC-DC 转换器,能以更低的成本实现 N+1 冗馀。如果负载功耗在汽车开发阶段发生变化,这种方法也有优势。工程师可以增减模组,无需对整个完成的客制化电源进行修改。此外,该模组已经获得核准和认证,可减少开发时间。


实施可扩充区域分布模组化 48V 架构


图五 : 电源模组结构精巧、重量轻,扩充极为便捷。
图五 : 电源模组结构精巧、重量轻,扩充极为便捷。

纯电动汽车或高性能混合动力车可使用高电压电池,因为动力和底盘系统电源需求很高。48V SELV PDN 仍然会为 OEM 厂商提供显着的优势,但现在,电源系统设计人员却面临着 800V 至 48V 或 400V 至 48V 高功率转换的其它挑战。


这种大功率 DC-DC 转换也需要隔离,但由於在此范围内使用稳压转换器效率非常低,而且会有很大的热管理问题,因此这种转换不应该包含稳压。透过在下游使用稳压负载点转换器,上游高功率转换器可使用更高效的固定比率拓扑。


这具有极大的优势,因为 16:1 或 8:1 的宽输入至输出电压范围分别适用於 800/48 和 400/48(图五)。OEM 厂商通常将这种高效率的降压解决方案布置在电池组自身内部,在某些情况下甚至可以不用电池。Vicor 固定比率高压母线转换器能够以快速的压摆率实现快速的电流传输,这可帮助 OEM 厂商减少 12 至 14 公斤不必要的 48V 电池重量。


由於配送 400V 或 800V 电源时的安全要求,分散高电压隔离式转换器困难重重且成本高昂。然而,可使用电源模组取代大型「银盒」DC-DC 转换器来设计大功率集中式固定比率转换器。


电源模组具有高度的可扩充性,还可轻松并联,适用於一系列具有不同供电链和底盘电气化要求的车辆。此外,Vicor BCM固定比率母线转换器也是双向的,支援各种能源回收方案。BCM 采用正弦振幅转换器(SAC)高频率软切换拓扑,可实现 98% 以上的效率。此外,它们还具有 2.6kW/in3 的功率密度,可显着缩小集中式高压转换器的尺寸。


特斯拉已经接受了挑战,而致力於转向 48V,这是全球汽车电气化的下一个重要步骤,预计其他公司也会仿效。开发最隹化纯电动汽车的竞争需要挑战极限,还需要引入新技术,


将供电网路升级到 48V 是显而易见的下一步工作。


为了实现通过采用48V系统获得的PDN优势,最快的路径是在每个区域使用高功率密度DCDC转换器部署区域架构。除了 48V 缆线重量更轻的优势外,电源模组还可提高散热效率,并在整个车辆中提供 48V 至 12V 的最高转换效率。此外,精巧型电源模组还可轻松扩充,此为向 48V 区域分散式 架构的无缝补充。


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