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電源模組在過渡到48V 區域架構提供決定性優勢
 

【作者: Vicor】   2024年02月06日 星期二

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特斯拉最近宣佈,未來所有特斯拉電動汽車都將採用 48V 低壓系統。隨著產業朝此方向發展,將為OEM廠商以及一級供應商的適應帶來機遇和挑戰。採用分散式區域架構,在負載端將 48V 轉換為 12V,為架構這類系統最有效的方法。而Vicor高功率密度小型模組可使得設計和建構區域架構變得簡單,為 xEV提供支援。


汽車、卡車、公共汽車及摩托車製造商正在快速實現車輛電氣化以減少 CO2排放。OEM廠商在採用多種方法實現電氣化,混合動力系統、插電式混合動力汽車(PHEV)和純電動汽車(BEV)是主要的電氣化途徑。雖然混合動力和 PHEV 動力系統保留了內燃機,並與基於交流發電機的 12V PDN 緊密相連,但純電動汽車平台為 OEM 廠商設計純電動汽車的PDN提供全新的思路。


然而,人們對於修改長期存在的 12V 供電網路(PDN)卻普遍猶豫不決。變革通常需要經過廣泛測試的新技術,可能還需要能夠提供汽車產業高安全及高品質標準的全新提供商。


使用電源模組最大化48V PDN

在純電動汽車平台中,電源是高壓(HV)(400 或 800V)電池,該高電壓需要降至60V以下的安全超低電壓(SELV)。SELV的第一個工作等級為48V,或者OEM廠商也可將電源降至24V或12V,用於汽車 PDN。現在可以選擇新增能直接處理48V輸入的系統,也可以保留泵、風扇和電機等傳統12V機電負載,而透過 DC-DC 穩壓轉換器將48V 轉換成12V。


為了管理變化和風險,現有純電動汽車供電系統正在逐漸增加 48V負載,但仍然使用大型集中式數千瓦高壓至12V的轉換器,為整個汽車提供12V電源。然而,這種集中式架構沒有完全利用48V PDN 的優勢,也沒有利用可用的先進轉換器拓撲、控制系統和封裝的優勢。



圖一 : 傳統12V集中式架構使用較粗的佈線,支援單點轉換(銀盒)至12V,這本身就比區域(zonal)架構重,效率更低。
圖一 : 傳統12V集中式架構使用較粗的佈線,支援單點轉換(銀盒)至12V,這本身就比區域(zonal)架構重,效率更低。

圖二 : 48V區域架構(zonal architecture)在整個車輛中使用較細的 10 號線,可將纜線重量銳減 85%。此外,分散48V至12V的轉換點,還可在端點使用電源模組實現高效對流散熱。
圖二 : 48V區域架構(zonal architecture)在整個車輛中使用較細的 10 號線,可將纜線重量銳減 85%。此外,分散48V至12V的轉換點,還可在端點使用電源模組實現高效對流散熱。

這些集中式 DC-DC 轉換器(圖一)絕大多數都很笨重,因為它們使用較早的低頻率 PWM 切換拓撲。此外,對於大量重要供電鏈系統來說,他們也代表了單點故障。這些集中式系統還將熱負荷集中在一個點上,需要一套很大的散熱系統(圖三)。


需要考慮的另一種架構是使用模組化電源元件的區域供電(圖二)。該供電架構使用更小、更低功耗的 48 至 12V 轉換器,在車輛各處接近 12V 負載的地方配電。簡單的功率方程式 P = V ‧ I 和 PLOSS = I2R 就可以說明為什麼 48V 配電比 12V 更高效。


對於設定功率等級而言,48V 時的電流是 12V 的四分之一,功耗 (I2R) 為 1/16。在1/4電流下,纜線和連接器可以更小、更輕,而且成本也會更低。此外,區域電源架構還具有顯著的熱管理及電源系統備援優勢(圖四),這是為整個車輛中傳輸數千瓦電源的另一種途徑,無需考慮傳統 DC-DC 轉換器的重量、散熱問題和體積。



圖三 : 標準DC-DC轉換器的效率只有94%,部分原因是集中式外殼內的品質轉換很難散熱,會影響效率。此外,這種傳統方法還會在車輛中占用更大的系統空間。
圖三 : 標準DC-DC轉換器的效率只有94%,部分原因是集中式外殼內的品質轉換很難散熱,會影響效率。此外,這種傳統方法還會在車輛中占用更大的系統空間。

圖四 : 區域架構不僅運行更細、更輕的纜線,並將轉換從車輛的中心位置轉移到了端點區域。精巧的電源模組在負載位置將 48V 轉換為 12V,透過分散轉換點,實現對流散熱並提高轉換效率。
圖四 : 區域架構不僅運行更細、更輕的纜線,並將轉換從車輛的中心位置轉移到了端點區域。精巧的電源模組在負載位置將 48V 轉換為 12V,透過分散轉換點,實現對流散熱並提高轉換效率。

區域架構的模組化提升效率

使用模組化方法進行分散式供電(圖四)具有高度的可擴充性。


電池的 48V 輸出分配給車內各種高功率負載,最大限度提高了更低電流(4 倍)及更低功耗(16倍)的優勢,從而實現了更小、更輕的 PDN。根據對各種分散式負載的負載功率分析,可針對適當的功率進行模組設計和認證,然後可透過將其用於並聯陣列來調高系統功率等級。


本實例展示的是一個 2kW 模組。如前文所述,顆數和可擴充性根據系統而定。將模組分散至端點區域,而不是使用大型集中式 DC-DC 轉換器,能以更低的成本實現 N+1 冗餘。如果負載功耗在汽車開發階段發生變化,這種方法也有優勢。工程師可以增減模組,無需對整個完成的客製化電源進行修改。此外,該模組已經獲得核准和認證,可減少開發時間。


實施可擴充區域分佈模組化 48V 架構


圖五 : 電源模組結構精巧、重量輕,擴充極為便捷。
圖五 : 電源模組結構精巧、重量輕,擴充極為便捷。

純電動汽車或高性能混合動力車可使用高電壓電池,因為動力和底盤系統電源需求很高。48V SELV PDN 仍然會為 OEM 廠商提供顯著的優勢,但現在,電源系統設計人員卻面臨著 800V 至 48V 或 400V 至 48V 高功率轉換的其它挑戰。


這種大功率 DC-DC 轉換也需要隔離,但由於在此範圍內使用穩壓轉換器效率非常低,而且會有很大的熱管理問題,因此這種轉換不應該包含穩壓。透過在下游使用穩壓負載點轉換器,上游高功率轉換器可使用更高效的固定比率拓撲。


這具有極大的優勢,因為 16:1 或 8:1 的寬輸入至輸出電壓範圍分別適用於 800/48 和 400/48(圖五)。OEM 廠商通常將這種高效率的降壓解決方案佈置在電池組自身內部,在某些情況下甚至可以不用電池。Vicor 固定比率高壓母線轉換器能夠以快速的壓擺率實現快速的電流傳輸,這可幫助 OEM 廠商減少 12 至 14 公斤不必要的 48V 電池重量。


由於配送 400V 或 800V 電源時的安全要求,分散高電壓隔離式轉換器困難重重且成本高昂。然而,可使用電源模組取代大型「銀盒」DC-DC 轉換器來設計大功率集中式固定比率轉換器。


電源模組具有高度的可擴充性,還可輕鬆並聯,適用於一系列具有不同供電鏈和底盤電氣化要求的車輛。此外,Vicor BCM固定比率母線轉換器也是雙向的,支援各種能源回收方案。BCM 採用正弦振幅轉換器(SAC)高頻率軟切換拓撲,可實現 98% 以上的效率。此外,它們還具有 2.6kW/in3 的功率密度,可顯著縮小集中式高壓轉換器的尺寸。


特斯拉已經接受了挑戰,而致力於轉向 48V,這是全球汽車電氣化的下一個重要步驟,預計其他公司也會仿效。開發最佳化純電動汽車的競爭需要挑戰極限,還需要引入新技術,


將供電網路升級到 48V 是顯而易見的下一步工作。


為了實現通過採用48V系統獲得的PDN優勢,最快的路徑是在每個區域使用高功率密度DCDC轉換器部署區域架構。除了 48V 纜線重量更輕的優勢外,電源模組還可提高散熱效率,並在整個車輛中提供 48V 至 12V 的最高轉換效率。此外,精巧型電源模組還可輕鬆擴充,此為向 48V 區域分散式 架構的無縫補充。


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