【導(dǎo)讀】特斯拉股價(jià)持續(xù)高漲，證明了電動(dòng)汽車/混動(dòng)汽車的前景，也證明了市場(chǎng)需要更綠色/節(jié)能的出行方式。傳統(tǒng)燃油汽車也好，電動(dòng)汽車也好，為了減輕系統(tǒng)功耗，都在努力嘗試在動(dòng)力系統(tǒng)中直接增加48V直流（DC）總線系統(tǒng)。
特斯拉股價(jià)持續(xù)高漲，證明了電動(dòng)汽車/混動(dòng)汽車的前景，也證明了市場(chǎng)需要更綠色/節(jié)能的出行方式。傳統(tǒng)燃油汽車也好，電動(dòng)汽車也好，為了減輕系統(tǒng)功耗，都在努力嘗試在動(dòng)力系統(tǒng)中直接增加48V直流（DC）總線系統(tǒng)。
采用48V的好處有哪些？從歐姆定律來看，電壓越高電流越小，導(dǎo)線的損耗和散熱就越小，這也是為何電網(wǎng)采用高壓輸配電的原因。對(duì)于汽車而言，目前的12.6V鉛酸電池是一個(gè)傳承久遠(yuǎn)的折中方案，可以兼顧體積、容量、成本、壽命和安全等因素。
然而現(xiàn)在的汽車需要比幾年前的汽車擁有更多的電子設(shè)備，除了發(fā)動(dòng)機(jī)、燈、收音機(jī)、電動(dòng)天窗、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、網(wǎng)絡(luò)和信息娛樂等基本功能，現(xiàn)在還會(huì)集成很多其他安全便捷的功能，尤其是高功耗的ADAS系統(tǒng)，如果繼續(xù)采用12V電源的話，會(huì)造成線束的發(fā)熱和損耗，如果采用更粗的線束，又無法滿足汽車輕量化及成本要求。
48V供電系統(tǒng)誕生
與傳統(tǒng)的12V鉛酸電池不同，48V電池采用了鋰電池系統(tǒng)，具有更高的重量和體積能量密度。
在某些方面12V/48V微混系統(tǒng)是一個(gè)折中的方案，但與其他折中方案不同，這種方案有很多的優(yōu)勢(shì)，降低成本，提升效益和回報(bào)率（來源：Delphi科技）
在這種方法中，48V電池——按照汽車標(biāo)準(zhǔn)LV148的規(guī)定——作為補(bǔ)充與12V鉛酸電池結(jié)合使用（這樣能夠提供3KW的額定功率）。12V電池和48V電池將連同他們的配電線束一起使用，在需要功率輸出的時(shí)候兩塊電池都提供能量輸出，比如12V總線可以為點(diǎn)火、照明和信息娛樂系統(tǒng)提供電源，而48V總線將負(fù)責(zé)底盤控制系統(tǒng)、空調(diào)、調(diào)整懸架、回收制動(dòng)能量、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)增壓器和渦輪等。
雙電壓微混方式將有效分配電壓和可用的功率，從效率和運(yùn)行的角度來看這是最有意義的（來源：Delphi科技）
考慮一個(gè)基本組件：發(fā)動(dòng)起啟動(dòng)器，48V電池如何改變發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的基本架構(gòu)，從而更好的增強(qiáng)啟停效果，這種方式有利于減少在紅綠燈和停車等待時(shí)的燃油消耗，進(jìn)一步增強(qiáng)燃油效率。在大多數(shù)只有12V電池的汽車中電池為啟動(dòng)器提供動(dòng)力，交流發(fā)電機(jī)作為充電器，然而48V和12V的組合使用可以提供高達(dá)10KW的功率，啟動(dòng)電機(jī)和獨(dú)立的交流發(fā)電機(jī)被集成的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)（ISG）或帶式啟動(dòng)發(fā)電機(jī)所取代，48V鋰離子電池和雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)被封裝在堅(jiān)固的盒子內(nèi)，這其實(shí)是一種弱混動(dòng)力系統(tǒng)，與內(nèi)燃機(jī)協(xié)同工作。它可以提供三分之二的好處，但是只有三分之一的成本，而經(jīng)濟(jì)效益增加了15%到20%。
為什么是48V和12V
10幾年前，業(yè)界關(guān)于24V的討論非常的激烈，一些主要廠商甚至已經(jīng)開始生產(chǎn)24V連接器、開關(guān)、繼電器和其他基礎(chǔ)部件。此外關(guān)于汽車是否應(yīng)該完全淘汰12V電池僅采用24V電池，還是讓它們共存，這個(gè)爭(zhēng)論一直未解決。但是24V電壓無法更好地體現(xiàn)高總線電壓所帶來的優(yōu)勢(shì)。
同時(shí)，在大多數(shù)地區(qū)超過60V的直流電壓被認(rèn)為是不安全的，需要特殊的接線注意事項(xiàng)、安全鎖、使用導(dǎo)管和物理屏蔽等。所以目前48V成為了主流標(biāo)準(zhǔn)，48V系統(tǒng)的峰值會(huì)低于60V，也就是滿足安全要求，從而減少了安全認(rèn)證等步驟。
電源管理的難題
除了48V之外，電動(dòng)汽車還有800V/400V的動(dòng)力電池系統(tǒng)，這些高壓系統(tǒng)都給功率電子設(shè)計(jì)帶來了更多難題。
“今天電氣化面臨的挑戰(zhàn)是：降低成本，減少二氧化碳排放以及電源管理需求的變化，為傳統(tǒng)的12V負(fù)載供電，為更輕、性能更高的車輛提高功率水平，加快充電時(shí)間，以及管理800V和400V電池系統(tǒng)。”Vicor 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都在嘗試采用更多的電力電子，以提高內(nèi)燃機(jī)的燃油效率并減少二氧化碳排放。有許多電氣化選擇，但大多數(shù)制造商選擇48伏的輕度混合動(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。
“當(dāng)車上有一個(gè)800V或400V的供電電池時(shí)。Vicor可以直接將800V或400V轉(zhuǎn)化為48V，為電動(dòng)渦輪、擋風(fēng)玻璃和冷卻泵等負(fù)載供電。這樣通過創(chuàng)建48V供電總線，可以完全取消48V鋰電池供電系統(tǒng)，為OEM提供了更高的功率密度，同時(shí)減輕了重量和尺寸，并且這些解決方案完全可擴(kuò)展，支持從入門級(jí)到豪華級(jí)的各種需求。
圖：?jiǎn)⒂锰摂M48V電池（來源：Vicor）
圖：從12V切換到48V的系統(tǒng)（來源：Vicor）
48V技術(shù)可有效分配電力
48V技術(shù)可將功率容量提高4倍（P=V*I），可用于較重負(fù)載，如啟動(dòng)時(shí)的空調(diào)和催化轉(zhuǎn)化器。為了提高車輛性能，48V系統(tǒng)可以為混合動(dòng)力汽車提供動(dòng)力，在節(jié)省燃油的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更快、更平穩(wěn)的加速。
Wadden說：“最大挑戰(zhàn)是人們面對(duì)新技術(shù)的猶豫不決，對(duì)于汽車工業(yè)來說，48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)提供了一種快速引入新車輛的方法，這種方法排放量低、續(xù)航里程長(zhǎng)、耗油量高，而且具有實(shí)用性。它還提供了新的、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)還能減少二氧化碳排放。”
絕大多數(shù)集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器體積大、重量重，因?yàn)樗鼈兪褂门f的PWM低頻開關(guān)拓?fù)洌詷I(yè)界也很少有更換的需求。一個(gè)更為先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)是使用電源模塊和分布式的電源軌。
Wadden說：“使用分散式模型的好處可以在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)，在車輛周圍使用更輕的電纜：將轉(zhuǎn)換器放置在離負(fù)載最近的位置有一些好處，可以最小化阻抗和電阻，簡(jiǎn)化冷卻方法，在某些情況下甚至可以消除冷板或液體冷卻。通過更多的選擇和靈活性來實(shí)現(xiàn)功能安全。”
這種電源傳輸架構(gòu)使用更小、功耗更低的48V-12V轉(zhuǎn)換器，因此分布式電源結(jié)構(gòu)在電源系統(tǒng)中提供了顯著的熱管理優(yōu)勢(shì)。
“讓我們看一個(gè)集中系統(tǒng)與分散系統(tǒng)的關(guān)系圖。左邊是集中式傳統(tǒng)架構(gòu)，有一個(gè)3.3KW車載充電機(jī)，400V的輸入到12V的輸出，為車內(nèi)的12V負(fù)載供電。右邊是分布式電源架構(gòu)：轉(zhuǎn)換器被放置在負(fù)載點(diǎn)上，分布式架構(gòu)取消了車載充電機(jī)，并根據(jù)需要在車輛周圍分布電源。這也允許使用冗余電源實(shí)現(xiàn)ASIL FUSA。隨著電力需求的增加，管理變得越來越困難，需要取消這些老式的車載充電機(jī)。”Wadden說。
新的48V PDN支持傳統(tǒng)的12V負(fù)載，并可使用傳統(tǒng)線束支持新的大功率驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)。與體積更大、體積更大的離散解決方案相比，在負(fù)載不斷增加的情況高密度模塊更具優(yōu)勢(shì)。Vicor提供多款模塊用于48V供電，這些設(shè)備包括固定比率和可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換解決方案，支持降壓或升壓模式下的48V和12V負(fù)載。這些轉(zhuǎn)換器可以裝在一個(gè)單獨(dú)的外殼中，或者使用更小更輕的48V PDN分布在整個(gè)車輛上。
圖：集中式與分布式架構(gòu)區(qū)別（來源：Vicor）
圖：傳統(tǒng)模式和分布式功耗損耗對(duì)比，相比而言集中式的功耗損失為分布式的四倍（來源：Vicor）
圖: Vicor解決方案（來源：Vicor）
當(dāng)OEM需要在離負(fù)載最近的車輛周圍放置電壓轉(zhuǎn)換器，或者將48V降到12V或?qū)?2V升壓到48V時(shí)，都可以選擇Vicor的NBM系列產(chǎn)品。
使用400V和800V充電站時(shí)，車輛與任何充電站的兼容性要求轉(zhuǎn)換解決方案盡可能簡(jiǎn)單，但最重要的是高效。NBM6123采用61 x 23mm CM-Chip封裝，提供6.4kW固定比率400V和800V轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了路邊充電站和不同車輛之間兼容性的可擴(kuò)展、高效、高密度解決方案。Vicor解決方案的雙向能力允許同一模塊用于升壓或降壓轉(zhuǎn)換。NBM6123還可用于在充電期間向車輛輸送空調(diào)，從而最大限度地減少蓄電池平衡電路。
結(jié)論
如今，汽車電氣化的發(fā)展形式多種多樣，供電系統(tǒng)非常復(fù)雜。一輛車有許多不同的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)可能有不同的動(dòng)力要求。模塊化電源方法本質(zhì)上更加靈活和可擴(kuò)展，能夠應(yīng)對(duì)各種挑戰(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。
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