【導讀】汽車(chē)電氣化發(fā)展正在推動(dòng)當前汽車(chē)電氣設計架構的變革。這既增加了汽車(chē)運行所需的電力，也影響了設計人員為各種車(chē)載系統供電的方式。全球范圍內的工程師正竭力解決里程有限以及充電站不足的問(wèn)題。經(jīng)濟上有很多懸而未決的問(wèn)題。這可能是工程師面臨過(guò)的最重要的電源挑戰。
例如，純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 和插電式混合動(dòng)力汽車(chē) (PHEV) 的動(dòng)力系統使用高壓電池（800V 或 400V），該高壓電池還必須在 48V 及 12V 下為汽車(chē)配件供電。降低這些負載所需的 DC-DC 轉換器一般都很笨重。但可通過(guò)結合基于 Vicor 正弦振幅轉換 (SAC?) 電源拓撲的轉換器來(lái)緩解這一問(wèn)題。SAC 可幫助設計人員將 DC-DC 轉換器重量銳減 50%，將封裝體積銳減 60%，從而可提供傳統電源方案所無(wú)法比擬且具備改變游戲規則的優(yōu)勢。
純電動(dòng)汽車(chē)的耗電量是傳統燃油汽車(chē)的 20 倍
汽車(chē)的電氣化是用電網(wǎng)發(fā)電取代車(chē)載發(fā)電，這些能量?jì)Υ嬖诟邏弘姵刂?。除了這一變革，諸如電動(dòng)轉向和電動(dòng)懸架、ADAS 和信息娛樂(lè )系統等大量控制系統和子系統的轉換，也為電源系統工程師帶來(lái)了新的挑戰。與內燃機 (ICE) 相比，電動(dòng)汽車(chē)的電源需求提高了 20 倍。當前的純電動(dòng)汽車(chē)需要 100kW 以上的電源，配件的電源需求至少占這一總需求的 4kW。相比之下，ICE 只需要 2.5 至 4.5kW 的總電源。這一指數級增長(cháng)給工程師造成了巨大的障礙。
圖 1：與內燃機 (ICE) 相比，電動(dòng)汽車(chē)的電源需求提高了 20 倍。與內燃機 2.5 ~ 4.5kW 的電源需求相比，目前純電動(dòng)汽車(chē)的需求為 100kW 以上。
工程師面臨的另一項重大變革是，電力來(lái)源不再是通過(guò) ICE 發(fā)電的、持續運行的 12V 交流發(fā)電機，而是使用電池中儲存且有限的 400V 或 800V 電源。許多配件都在 12V 電壓下進(jìn)行了成本和性能優(yōu)化，因此需要在車(chē)輛中保留 12V 電源。因而，電源系統工程師需要一個(gè)將高壓電池電源轉換為 48V 或 12V 的架構，才能滿(mǎn)足各種車(chē)輛子系統的需求。理想的系統將最大限度提升功率密度，以減輕重量并縮小單位體積。
SAC 支持更輕、更小的電源轉換
圖 2：SAC 工藝的基礎是零電壓/零電流開(kāi)關(guān)，可實(shí)現固定比率電壓轉換。
為盡可能使轉換器更小，開(kāi)關(guān)在 1300KHz 以上的頻率下完成，這允許使用更小的磁性材料和更短的路徑運轉。SAC 一方面的優(yōu)勢是表現出每秒超過(guò) 8.6MA 的極快瞬態(tài)響應。
圖 3：Vicor SAC 拓撲具有極快的瞬態(tài)響應性能。這里的基準測試顯示：在瞬態(tài)率為 8.6MA/s 的情況下，加載步長(cháng)為 0 ~ 80A，也就是說(shuō)空載至滿(mǎn)負載用時(shí)不足 10μs，速度明顯比使用電池快。80 ~ 0A 的加載步長(cháng)的轉換速率甚至更快，達到 17.6MA/s 瞬態(tài)率 。
SAC DC-DC 轉換器已經(jīng)在高性能計算領(lǐng)域使用了幾十年，可提供超過(guò) 15kW/kg 和 85kW/L 的功率密度。汽車(chē)電氣化也同樣離不開(kāi)該技術(shù)。
圖 4：Vicor 電源模塊不僅體積小、功率密度大，而且非常靈活，可設計用于充電、轉換和橋接的架構。
如何構建小型化電動(dòng)汽車(chē)供電網(wǎng)絡(luò )
使用基于 SAC 的器件，不僅可縮小電源網(wǎng)絡(luò )組件的尺寸，而且允許電源工程師采用大量不同的方式優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò )。電池電壓可輕松轉換為 48V，并在負載點(diǎn)從 48V 網(wǎng)絡(luò )降至 12V。使用 Vicor 高壓 BCM?母線(xiàn)轉換器，能輕松實(shí)現從主電池 (400/800V) 到 48V 的轉換。BCM 僅重 58 克，體積僅為 0.016L，可提供 2.5kW 的 48V 電源。48V 電源可使用高效 ZVS PRM? 穩壓器穩壓，其重量?jì)H為 40 克，體積為 0.01L。
48V 穩壓電源可使用一款負載點(diǎn) DCM? DC-DC 穩壓器轉換為 12V；用于此處的 2kW 器件重量為 29 克，體積為 0.01 升。使用 SAC 拓撲，只需 136 克的轉換器件，系統便可提供 2kW 的 12V 穩壓電源，這不僅可銳減高達 65%的系統重量，而且還可節省多達 50% 的 DC-DC 轉換器封裝空間。
圖 5：比較一些當今最普及純電動(dòng)汽車(chē)的轉換器，可以了解每一種轉換器的重量及空間需求。
這些是目前可提供的最好系統，但由于使用了基于可用的最佳分立式組件集的標準設計，其功率密度很低。這些均可通過(guò)使用 SAC 拓撲和 Vicor 電源模塊顯著(zhù)提升。
為了從 400V 電池電源提供 4kW 的 12V 穩壓電源，系統不僅需要使用 BCM?提供隔離和 48V 饋電，而且還需要使用 DCM? 降壓轉換至 12V 電源。兩個(gè) BCM6135 器件和兩個(gè) DCM3735 器件組成的陣列可用于提供所需的 4kW 電源。該芯片組重量?jì)H 266g，功率密度為 15kW/kg，占位空間僅 0.046L，即體積功率密度為 87kW/L。為了在車(chē)輛中提供全面的功能，還需要一些額外的電路，其中包括高壓連接器、低壓連接器、散熱片、外殼、帶附加電路（反向極性、預充電、EMI 濾波器）的 PCB 以及用于 CAN 通信的隔離器和連接器。
加上新增的系統部件，4kW DC-DC 轉換器的重量?jì)H為 1.4kg，功率密度為 2.5kW/kg，體積只有 0.76L，因此體積功率密度為 5.22kW/L。
圖 6：與其它解決方案相比，Vicor 電源轉換器的體積更小，效率更高，功率密度提高了 6 倍。
因此，與目前可提供最大體積密度的特斯拉 DC-DC 轉換器相比，Vicor 系統的體積功率密度提高了 6 倍，體積縮小了 58%。據統計，每減輕 1 公斤重量，汽車(chē)的行駛里程就能增加 0.8 公里。因此，Vicor 系統不僅可為其它組件騰出更多封裝空間，而且還可增加 1.0 公里的行駛里程。此外，小型化 Vicor 系統的重量是福特野馬 Mach-E 系統的一半，但提供的有效功率密度提高了 1.7 倍。
所有車(chē)輛，無(wú)論是內燃機，還是全電動(dòng)系統，都面臨著(zhù)最大限度減輕車(chē)輛重量和優(yōu)化車(chē)輛體積的挑戰。使用基于 SAC 的技術(shù)來(lái)實(shí)現 DC-DC 電源轉換的小型化，為實(shí)現這些目標指明了道路。
汽車(chē)電氣化發(fā)展正在挑戰對于工程師如何設計各種逐漸增大供電的車(chē)載系統。
Greg Green
Vicor 汽車(chē)客戶(hù)項目總監
現任 Vicor 公司汽車(chē)客戶(hù)項目總監。他在汽車(chē)行業(yè)擁有超過(guò) 33 年的豐富經(jīng)驗，涉及 OEM 廠(chǎng)商和一級供應商的制造、設計工程和產(chǎn)品線(xiàn)管理。Greg 豐富的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗包括制造、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)等。Greg 先后畢業(yè)于密歇根大學(xué)和凱特林大學(xué)，分別獲航空航天工程學(xué)士學(xué)位和制造管理碩士學(xué)位。
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