48V模块电源架构可解决汽车电气化挑战

本文作者：Patrick Wadden是Vicor汽车业务全球副总裁，Nicolas Richard是Vicor汽车业务总监

汽车，卡车，公共汽车和摩托车的制造商正在迅速为其车辆增加电气化内容，以提高内燃机的燃油效率并减少CO2排放。电气化选择很多，但是大多数制造商都选择48V轻度混合动力系统，而不是完整的混合动力总成。在轻度混合动力系统中，除了传统的12V蓄电池外，还增加了48V蓄电池。

这样可将功率容量提高四倍，可用于较重的负载，例如空调和催化转化器。为了提高车辆性能，该48V系统可以为混合动力发动机提供动力，混合动力发动机可实现更快，更平稳的加速，同时节省燃料。额外的动力还可以支持转向、制动和悬架系统，以及新的安全，娱乐和舒适性等功能。

图1：传统的12V集中式架构（左）和48V分散式架构（右）。

引入48V混合动力系统具有巨大的进步空间。克服对修改长期存在的12V输电网络（PDN）可能是最大的挑战。电源变化通常需要广泛测试新技术，同时需要能够满足汽车行业高安全性和质量标准的新供应商。

但是，随着数据中心行业转向48V PDN，其优势远远超过了转换成本。对于汽车行业而言，48V混合动力系统提供了一种全新方法来快速引入排放量更低、续航里程更长且油耗更低的新型汽车。它还提供了令人兴奋的新设计选项，以实现更高的性能和功能，同时仍减少二氧化碳排放量。

最大化PDN

添加48V电池为较重的动力总成和底盘系统负载供电，为工程师提供了选择。现在，可以选择添加一些系统，这些系统可以直接处理48V输入，或者通过稳压DC / DC转换器将48V转换为12V，从而保留传统的12V机电负载（如泵，风扇和电动机）。为了应对变化和风险，现有的轻度混合动力输电系统正在缓慢增加48V负载，但仍使用大型集中式高功率48V至12V转换器，该转换器负责馈入12V负载。但是，这种集中式架构并没有充分利用48V PDN的优势，也没有利用现有的高级转换器拓扑、控制系统和封装的优势。

图2：标准DC / DC转换器（左）的效率为94％，Vicor DC / DC转换器（右）的效率为98％。

这些集中式DC/DC转换器绝大多数都是笨重的，因为它们使用了较旧的低频脉冲宽度调制（PWM）开关拓扑。对于许多关键的动力总成系统，它们容易发生单点故障。

另一种体系结构则是采用模块化电源组件的分散式电源。这种电源传输架构使用较小的，低功耗的48至12V转换器，在接近12V负载的整个车辆的近负载点中分布。

根据电压越高，电流越小，导线损失就越小可知，对于给定的功率水平，在48V时的电流是12V系统中电流的1/4，损耗（I2R）低16倍。在电流的1/4时，电缆和连接器可以更小，更轻，更便宜。分散式电源架构还具有显着的热管理和电源系统冗余优势（图2）。这是在整个车辆中散布kW级功率的另一种方式，而不需传统DC / DC转换器的重量、散热和体积。

可扩展模块

分散式电力输送的模块化方法（图3）具有高度的可扩展性。

图3：混合动力汽车的模块化方法。

电池的48V输出分配到车辆的各种高功率负载上，从而最大限度地发挥了较低电流（4x）和较低损耗（16x）的优势，从而使PDN的体积更小，重量更轻。根据对各种分布式负载的功率分析，可以设计一个模块并通过适当的功率粒度验证，并可在并行阵列中使用，从而扩展系统的功率等级。

在此示例中，显示了一个2kW的模块，粒度和可伸缩性取决于系统。通过使用分布式模块代替大型集中式DC / DC转换器，N + 1冗余也可以以更低的成本实现。如果负载功率在车辆开发阶段发生改变，则该方法同样更为方便。工程师无需添加或修改接地的定制电源，而是可以通过添加或删除模块进行缩放。另一个设计优势是减少了开发时间，因为该模块已经获得批准和认证。

图4显示了全电动汽车中的模块化应用领域。

图4：全电动汽车中分散式48V架构的模块化应用。

对于纯电动汽车或高性能混合动力汽车，由于动力总成和底盘系统的高功率需求，因此使用了高压电池。48V SELV PDN对于OEM仍然具有显着优势，但是现在，电源系统设计人员还面临着大电压800V或400V转换至48V的挑战。

这种高功率DC / DC转换器也需要隔离但不需要调节。通过使用稳压PoL转换器，高功率上游转换器可以使用固定比率拓扑。由于分别针对800/48和400/48的16：1或8：1宽的输入至输出电压范围，这非常有利。

在此范围内使用稳压转换器效率非常低，并且存在很大的热管理问题。OEM经常在电池组内部找到这种高效的降压解决方案，并且在某些情况下希望能够淘汰电池。Vicor的固定比例高压转换产品以快速的压摆率提供快速的电流输出，使汽车OEM可以减轻12至14kg不必要的48V电池。

由于在分配400V或800V时的安全要求，分离这种高压隔离的转换器将非常困难且成本很高。但是，可以使用电源模块替代笨重的银盒电源DC / DC转换器来设计高功率集中式固定比率转换器。

可以开发出粒度和可扩展性级别合适的电源模块，然后轻松地将其并联用于具有不同动力总成和底盘电气化要求的一系列车辆。 Vicor固定比率总线转换器（BCM）也是双向的，支持各种能源再生方案。由于正弦振幅转换器（SAC）的高频，软开关拓扑，BCM的效率超过98％。它们还具有2.6kW每平方英寸的功率密度，从而大大减小了集中式高压转换器的尺寸。

汽车电源系统的模块化方法简化了复杂的电源交付挑战，提高了性能，生产效率和上市时间。