【導讀】汽車(chē)，卡車(chē)，公共汽車(chē)和摩托車(chē)廠(chǎng)商正在迅速轉變?yōu)殡姎饣?，以提高內燃機的燃油效率并減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但是大多數制造商都選擇48伏輕度混合動(dòng)力系統，而不是全混合動(dòng)力總成。在輕度混合動(dòng)力系統中，除了傳統的12V電池外，還增加了48伏電池。
汽車(chē)，卡車(chē)，公共汽車(chē)和摩托車(chē)廠(chǎng)商正在迅速轉變?yōu)殡姎饣?，以提高內燃機的燃油效率并減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但是大多數制造商都選擇48伏輕度混合動(dòng)力系統，而不是全混合動(dòng)力總成。在輕度混合動(dòng)力系統中，除了傳統的12V電池外，還增加了48伏電池。
這樣可將功率容量提高4倍（P = V•I），可用于較重的負載，例如啟動(dòng)時(shí)的空調和催化轉化器。為了提高車(chē)輛性能，該48V系統可以為混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機提供動(dòng)力，該混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機可實(shí)現更快、更平穩的加速，同時(shí)節省燃料。額外的動(dòng)力還可以支持轉向、制動(dòng)和懸架系統，以及新的安全性、娛樂(lè )性和舒適性功能。
一旦設計完成，引入48伏輕混動(dòng)力系統具有巨大的上升空間?？朔恢币詠?lái)的12V輸電網(wǎng)絡(luò )（PDN）的可能是最大的挑戰。功率傳輸的變化通常需要需要廣泛測試的新技術(shù)，并且可能需要能夠提供汽車(chē)行業(yè)高安全性和質(zhì)量標準的新供應商。
但是，隨著(zhù)數據中心行業(yè)轉向48V輸電網(wǎng)絡(luò )，其優(yōu)勢遠遠超過(guò)了轉換成本。對于汽車(chē)行業(yè)而言，48V輕型混合動(dòng)力系統提供了一種方法，可以快速引入排放量更低，續航里程更長(cháng)，油耗更高的新型汽車(chē)中。它還提供了令人興奮的新設計選項，以實(shí)現更高的性能和功能，同時(shí)仍減少二氧化碳排放量。
如何最大化48V輸電網(wǎng)絡(luò )
添加48V電池為較重的動(dòng)力總成和底盤(pán)系統負載供電?，F在，可以選擇添加一些系統，這些系統可以直接處理48V輸入，或保留傳統的12V機電負載（如泵類(lèi)，風(fēng)扇和電動(dòng)機），通過(guò)DC-DC轉換器將48V轉換為12V。為了管理變化和風(fēng)險，現有的輕度混合動(dòng)力輸電系統正在緩慢增加48V負載，但仍使用大型集中式48V至12V轉換器，該轉換器將車(chē)輛周?chē)?2V饋入負載。但是，這種集中式架構沒(méi)有充分利用48V輸電網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢，也沒(méi)有利用可用的高級轉換器拓撲，控制系統和封裝的優(yōu)勢。
圖1傳統的12V集中式架構
圖2 48V分布式架構
這些集中式DC-DC轉換器（圖1）絕大多數都是笨重的，因為它們使用了較舊的低頻PWM開(kāi)關(guān)拓撲。對于許多關(guān)鍵的動(dòng)力總成系統，它們也代表了單點(diǎn)故障。
要考慮的另一種架構是帶有模塊化電源組件的分散式電源交付（圖2）。這種電源傳輸架構使用較小的，低功耗的48至12V轉換器，這些轉換器分布在整車(chē)中接近12V負載的位置。通過(guò)簡(jiǎn)單的功率方程P = V•I和PLOSS = I2R就可以解釋為什么48V比12V更有效。
對于給定的功率水平，在48V時(shí)電流比12V系統低四倍，損耗（I2R）低16倍。電流只為之前的1/4，因此電纜和連接器可以更小，更輕，更便宜。分散式電源架構還具有顯著(zhù)的熱管理和電源系統冗余優(yōu)勢（圖4）。這是在車(chē)輛周?chē)峙涔β实牧硪环N方式。
圖3標準DC-DC轉換器的效率為94％
圖4 Vicor DC-DC轉換器的效率為98％
分布式架構的模塊化組件優(yōu)勢
分布式電力輸送的模塊化方法（圖5）具有高度的可擴展性。
圖5混合動(dòng)力汽車(chē)的模塊化方法
電池的48V輸出分配給車(chē)輛中的各種高功率負載，從而最大限度地利用了較低電流（4x）和較低損耗（16x）的優(yōu)勢，從而實(shí)現了體積更小，重量更輕的輸電網(wǎng)絡(luò )。根據對各種分布式負載的功率分析，可以設計一個(gè)模塊并通過(guò)適當的功率粒度，并支持并行陣列的擴展。
在此示例中，展示了一個(gè)2kW的模塊。如前所述，粒度和可伸縮性取決于系統。通過(guò)使用分布式模塊而不是大型的集中式DC-DC轉換器，N + 1冗余也可以以更低的成本實(shí)現。如果負載功率在車(chē)輛開(kāi)發(fā)階段發(fā)生變化時(shí)，也具有靈活性，工程師無(wú)需添加或修改定制電源，而只是通過(guò)添加或刪除模塊即可。另一個(gè)設計優(yōu)勢是減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，因為該模塊已經(jīng)獲得批準和認證。
在高壓電池系統中實(shí)施分布式模塊化48V架構
圖6電動(dòng)汽車(chē)的模塊化方法
對于純電動(dòng)汽車(chē)或高性能混合動(dòng)力汽車(chē)，由于動(dòng)力總成和底盤(pán)系統的高功率需求，因此使用了高壓電池。48V SELV 輸電網(wǎng)絡(luò )對于OEM們仍然具有顯著(zhù)優(yōu)勢，但是現在，電源系統設計人員還面臨著(zhù)高壓800V或400V到48V轉換的挑戰。
這種大功率DC-DC轉換器也需要隔離，但不需要調節。通過(guò)使用穩壓PoL轉換器，高功率轉換器可以使用固定比率拓撲。由于分別針對800V/48V和400V/48V的16：1或8：1的寬輸入到輸出電壓范圍（圖6），這是非常有益的。在此范圍內使用穩壓轉換器效率非常低，并且存在很大的熱管理問(wèn)題。OEM經(jīng)常在電池組內部尋找高效的降壓解決方案，并且在某些情況下能夠淘汰48V電池。Vicor的固定比例高壓轉換產(chǎn)品以快速的壓擺率提供快速的電流輸出，使OEM廠(chǎng)商可以減輕12-14kg不必要的48V電池重量。
由于在分配400V或800V時(shí)的安全要求，將這種高壓隔離轉換器離散化將非常困難且成本很高。但是，可以使用電源模塊代替DC-DC轉換器銀盒來(lái)設計大功率集中式固定比率轉換器。
可以開(kāi)發(fā)出粒度和可擴展性級別合適的電源模塊，然后輕松地將其并聯(lián)用于具有不同動(dòng)力總成和底盤(pán)電氣化要求的一系列產(chǎn)品。Vicor固定比率總線(xiàn)轉換器（BCM）也是雙向的，它支持各種能量再生方案。由于采用了正弦振幅轉換器（SAC）的高頻軟開(kāi)關(guān)拓撲，BCM的效率超過(guò)98％。它們還具有2.6kW / in3的功率密度，從而大大減小了集中式高壓轉換器的尺寸。
Vicor是汽車(chē)市場(chǎng)的供應商，提供先進(jìn)和創(chuàng )新的模塊化電源解決方案。這種用于汽車(chē)電源系統的方法簡(jiǎn)化了電源交付，提高了性能，生產(chǎn)率和上市時(shí)間。作為高電壓（例如48V，400V 800V）電源轉換的領(lǐng)導者，Vicor不斷創(chuàng )新電源傳輸架構，電源轉換拓撲，控制系統和封裝。
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