电源模块在过渡到48V区域架构之际提供决定性优势
- 李佳玲／台北
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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、插电式混合动力汽车（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，并与基于交流发电机的 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提供了全新的思路。然而，人们对于修改长期存在的12V供电网络 （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。
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，用于汽车 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。
这些集中式DC-DC转换器（图 1）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，对于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 3）。
需要考虑的另一种架构是使用模块化电源元件的区域供电（图 2）。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。简单的功率方程序P = V • I 和 PLOSS = I2R就可以说明为什麽48V配电比12V更高效。
对于给定功率等级而言，48V时的电流是12V的四分之一，功耗（I2R）为1/16。在¼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 4）。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。
区域架构的模块化可最佳化效率
使用模块化方法进行分散式供电（图 4）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块设计和认证，然后可透过将其用于并联阵列来调高系统功率等级。
本实例展示的是一个2kW模块。如前文所述，颗数和可扩充性根据系统而定。将模块分散至端点区域，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冗余。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。工程师可以增减模块，无需对整个完成的定制化电源进行修改。此外，该模块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块化48V架构
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，但由于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于800/48 和400/48（见图 5）。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。
由于配送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，可使用电源模块取代大型「银盒」DC-DC转换器来设计大功率集中式固定比率转换器。
电源模块具有高度的可扩充性，还可轻松并联，适用于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，支持各种能源回收方案。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。他们致力于转向48V，这是全球汽车电气化的下一个重要步骤。其他公司也会效仿。开发最佳纯电动汽车的竞争需要挑战极限，还需要引入新技术，才能保持领先地位。将供电网络升级到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，电源模块还可提高散热效率，并在整个车辆中提供48V至12V的最高转换效率。此外，精巧型电源模块还可轻松扩充，是向48V区域分散式 架构的无缝补充。
