特斯拉股價(jià)持續高漲，證明了電動(dòng)汽車(chē)/混動(dòng)汽車(chē)的前景，也證明了市場(chǎng)需要更綠色/節能的出行方式。傳統燃油汽車(chē)也好，電動(dòng)汽車(chē)也好，為了減輕系統功耗，都在努力嘗試在動(dòng)力系統中直接增加48V直流（DC）總線(xiàn)系統。

 

采用48V的好處有哪些？從歐姆定律來(lái)看，電壓越高電流越小，導線(xiàn)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。對于汽車(chē)而言，目前的12.6V鉛酸電池是一個(gè)傳承久遠的折中方案，可以兼顧體積、容量、成本、壽命和安全等因素。

 

然而現在的汽車(chē)需要比幾年前的汽車(chē)擁有更多的電子設備，除了發(fā)動(dòng)機、燈、收音機、電動(dòng)天窗、電動(dòng)助力轉向、網(wǎng)絡(luò )和信息娛樂(lè )等基本功能，現在還會(huì )集成很多其他安全便捷的功能，尤其是高功耗的ADAS系統，如果繼續采用12V電源的話(huà)，會(huì )造成線(xiàn)束的發(fā)熱和損耗，如果采用更粗的線(xiàn)束，又無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化及成本要求。

 

48V供電系統誕生

 

與傳統的12V鉛酸電池不同，48V電池采用了鋰電池系統，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，降低成本，提升效益和回報率（來(lái)源：Delphi科技）

 

在這種方法中，48V電池——按照汽車(chē)標準LV148的規定——作為補充與12V鉛酸電池結合使用（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(xiàn)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(xiàn)可以為點(diǎn)火、照明和信息娛樂(lè )系統提供電源，而48V總線(xiàn)將負責底盤(pán)控制系統、空調、調整懸架、回收制動(dòng)能量、驅動(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，從效率和運行的角度來(lái)看這是最有意義的（來(lái)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)機啟動(dòng)器的基本架構，從而更好的增強啟停效果，這種方式有利于減少在紅綠燈和停車(chē)等待時(shí)的燃油消耗，進(jìn)一步增強燃油效率。在大多數只有12V電池的汽車(chē)中電池為啟動(dòng)器提供動(dòng)力，交流發(fā)電機作為充電器，然而48V和12V的組合使用可以提供高達10KW的功率，啟動(dòng)電機和獨立的交流發(fā)電機被集成的啟動(dòng)發(fā)電機（ISG）或帶式啟動(dòng)發(fā)電機所取代，48V鋰離子電池和雙向DC/DC轉換器會(huì )被封裝在堅固的盒子內，這其實(shí)是一種弱混動(dòng)力系統，與內燃機協(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(chǎng)商甚至已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)24V連接器、開(kāi)關(guān)、繼電器和其他基礎部件。此外關(guān)于汽車(chē)是否應該完全淘汰12V電池僅采用24V電池，還是讓它們共存，這個(gè)爭論一直未解決。但是24V電壓無(wú)法更好地體現高總線(xiàn)電壓所帶來(lái)的優(yōu)勢。

 

同時(shí)，在大多數地區超過(guò)60V的直流電壓被認為是不安全的，需要特殊的接線(xiàn)注意事項、安全鎖、使用導管和物理屏蔽等。所以目前48V成為了主流標準，48V系統的峰值會(huì )低于60V，也就是滿(mǎn)足安全要求，從而減少了安全認證等步驟。

 

電源管理的難題

 

除了48V之外，電動(dòng)汽車(chē)還有800V/400V的動(dòng)力電池系統，這些高壓系統都給功率電子設計帶來(lái)了更多難題。

 

“今天電氣化面臨的挑戰是：降低成本，減少二氧化碳排放以及電源管理需求的變化，為傳統的12V負載供電，為更輕、性能更高的車(chē)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。”Vicor 汽車(chē)業(yè)務(wù)發(fā)展全球副總裁Patrick Wadden說(shuō)。

 

汽車(chē)、卡車(chē)、公共汽車(chē)和摩托車(chē)的制造商都在嘗試采用更多的電力電子，以提高內燃機的燃油效率并減少二氧化碳排放。有許多電氣化選擇，但大多數制造商選擇48伏的輕度混合動(dòng)力系統，而不是全混合動(dòng)力系統。在輕度混合動(dòng)力系統中，除了傳統的12V電池外，還增加了48V電池。

 

“當車(chē)上有一個(gè)800V或400V的供電電池時(shí)。Vicor可以直接將800V或400V轉化為48V，為電動(dòng)渦輪、擋風(fēng)玻璃和冷卻泵等負載供電。這樣通過(guò)創(chuàng )建48V供電總線(xiàn)，可以完全取消48V鋰電池供電系統，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展，支持從入門(mén)級到豪華級的各種需求。

 

圖：?jiǎn)⒂锰摂M48V電池（來(lái)源：Vicor）

 

圖：從12V切換到48V的系統（來(lái)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），可用于較重負載，如啟動(dòng)時(shí)的空調和催化轉化器。為了提高車(chē)輛性能，48V系統可以為混合動(dòng)力汽車(chē)提供動(dòng)力，在節省燃油的同時(shí)實(shí)現更快、更平穩的加速。

 

Wadden說(shuō)：“最大挑戰是人們面對新技術(shù)的猶豫不決，對于汽車(chē)工業(yè)來(lái)說(shuō)，48V輕度混合動(dòng)力系統提供了一種快速引入新車(chē)輛的方法，這種方法排放量低、續航里程長(cháng)、耗油量高，而且具有實(shí)用性。它還提供了新的、令人興奮的設計選項，以實(shí)現更高的性能和功能，同時(shí)還能減少二氧化碳排放。”

 

絕大多數集中式DC-DC轉換器體積大、重量重，因為它們使用舊的PWM低頻開(kāi)關(guān)拓撲，所以業(yè)界也很少有更換的需求。一個(gè)更為先進(jìn)的體系結構是使用電源模塊和分布式的電源軌。

 

Wadden說(shuō)：“使用分散式模型的好處可以在系統級實(shí)現，在車(chē)輛周?chē)褂酶p的電纜：將轉換器放置在離負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(guò)更多的選擇和靈活性來(lái)實(shí)現功能安全。”

 

這種電源傳輸架構使用更小、功耗更低的48V-12V轉換器，因此分布式電源結構在電源系統中提供了顯著(zhù)的熱管理優(yōu)勢。

 

“讓我們看一個(gè)集中系統與分散系統的關(guān)系圖。左邊是集中式傳統架構，有一個(gè)3.3KW車(chē)載充電機，400V的輸入到12V的輸出，為車(chē)內的12V負載供電。右邊是分布式電源架構：轉換器被放置在負載點(diǎn)上，分布式架構取消了車(chē)載充電機，并根據需要在車(chē)輛周?chē)植茧娫?。這也允許使用冗余電源實(shí)現ASIL FUSA。隨著(zhù)電力需求的增加，管理變得越來(lái)越困難，需要取消這些老式的車(chē)載充電機。”Wadden說(shuō)。

 

新的48V PDN支持傳統的12V負載，并可使用傳統線(xiàn)束支持新的大功率驅動(dòng)、轉向和制動(dòng)系統。與體積更大、體積更大的離散解決方案相比，在負載不斷增加的情況高密度模塊更具優(yōu)勢。Vicor提供多款模塊用于48V供電，這些設備包括固定比率和可調節的轉換解決方案，支持降壓或升壓模式下的48V和12V負載。這些轉換器可以裝在一個(gè)單獨的外殼中，或者使用更小更輕的48V PDN分布在整個(gè)車(chē)輛上。

 

圖：集中式與分布式架構區別（來(lái)源：Vicor）

 

圖：傳統模式和分布式功耗損耗對比，相比而言集中式的功耗損失為分布式的四倍（來(lái)源：Vicor）

 

圖: Vicor解決方案（來(lái)源：Vicor）

 

當OEM需要在離負載最近的車(chē)輛周?chē)胖秒妷恨D換器，或者將48V降到12V或將12V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(chē)輛與任何充電站的兼容性要求轉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轉換，實(shí)現了路邊充電站和不同車(chē)輛之間兼容性的可擴展、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換。NBM6123還可用于在充電期間向車(chē)輛輸送空調，從而最大限度地減少蓄電池平衡電路。

 

結論

 

如今，汽車(chē)電氣化的發(fā)展形式多種多樣，供電系統非常復雜。一輛車(chē)有許多不同的系統，每個(gè)系統可能有不同的動(dòng)力要求。模塊化電源方法本質(zhì)上更加靈活和可擴展，能夠應對各種挑戰。Vicor的高性能解決方案體積小、重量輕，旨在解決任何系統的電源轉換、充電和輸送問(wèn)題。