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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

图 1:传统 12V 集中式架构使用较粗的布线,支持单点转换(银盒)至 12V,这本身就比区域(zonal)架构重,效率更低。Vicor
图 1:传统 12V 集中式架构使用较粗的布线,支持单点转换(银盒)至 12V,这本身就比区域(zonal)架构重,效率更低。Vicor

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。

使用电源模块最大化48V PDN

图 2:48V 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块实现高效对流散热。Vicor

图 2:48V 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块实现高效对流散热。Vicor

图 3: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。Vicor

图 3: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。Vicor

图 4:Vicor DC-DC 转换器效率为 98%。区域架构不仅运行更细、更轻的缆线,而且还将转换从车辆的中心位置转移到了端点区域。精巧的电源模块在负载位置将 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。Vicor

图 4:Vicor DC-DC 转换器效率为 98%。区域架构不仅运行更细、更轻的缆线,而且还将转换从车辆的中心位置转移到了端点区域。精巧的电源模块在负载位置将 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。Vicor

图 5:电源模块结构精巧、重量轻,扩充极为便捷。Vicor

图 5:电源模块结构精巧、重量轻,扩充极为便捷。Vicor

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。


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