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使用48V分散式电源架构解决汽车电气化难题
[作者 Vicor]   2020年03月09日 星期一 浏览人次: [8025]

轿车、卡车、公车及摩托车制造商都在快速为其车辆实现电气化,以提高内燃机的燃油效率,减少二氧化碳排放。电气化选择很多,但大多数制造商都没有选择完全混合动力总成,而是选择 48V轻度混合动力系统。轻度混合动力系统除了有传统 12V 电池之外,还新增了一款 48V 电池。


这可增加 4 倍的电量(P = V·I),用於催化式排气净化器等重负荷。48V 系统可为混合动力引擎供电,在节省燃油的同时,更快、更平稳地加速,以提高车辆性能。额外的电源不仅可为转向、?车以及悬吊系统提供支援,而且还可增加新的安全、娱乐及舒适的特性。


引入48 V轻度混合动力系统,一旦完成设计,会有很大的优势。克服对长期存在的 12 V供电网路 (PDN) 进行改造的犹豫可能是最大的挑战。改变供电通常需要进行大量测试的新技术,而且可能还需要能够按汽车产业的高安全性及高品质标准供电的全新供应商。


但资料中心产业在转向 48 V PDN 的过程中发现,这样做的优势远远超过了转换时所付出的成本。对於汽车产业来说,48 V 轻度混合动力系统带来了快速推出排放更低、行驶里程更远、油耗更低的全新车辆的途径。此外,它还可为提高性能特性并减少二氧化碳排放提供令人振奋的全新设计选项。


如何最大化 48V 供电网路

增加 48V 电池,为更重的动力总成及底盘系统负载供电,可为工程师提供各种选项。现在有一个增加系统的选择,可以直接处理 48V 输入,也可以保留泵、风扇和马达等原有 12V 机电负载,无需透过稳压 DC-DC 转换器将 48V 转换成 12V。


为了管理变革与风险,现有轻度混合动力供电系统逐渐增加 48V 负载的同时,仍使用大型集中式数千瓦 48V 至 12V 转换器,将整个汽车的 12V 电源提供给 12V 负载。然而,这种集中式架构不仅没有完全利用 48V PDN 的优势,而且也没有利用现在可用的高阶转换器拓扑、控制系统与封装的优势。


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开关 PWM 拓扑架构。此外,它们也大幅提高动力总成系统单点集中带来单点故障的机率。



图1 : 传统 12V 集中式架构
图1 : 传统 12V 集中式架构

另外一种需要考虑的架构是使用模组化电源元件进行分散式供电(图2)。该供电架构使用更小、更低功耗的 48 至 12V 转换器,在整个接近 12V 负载的车辆中配电。简单的功率方程式 P = V·I和 PLOSS = I2R 就可以说明为什麽 48V 配电比 12V 更高效。



图2 : 48V 分散式架构
图2 : 48V 分散式架构

就固定功率而言,与 12V 系统相比,48V 系统电流低四倍、功耗低 16 倍。在 1/4 的电流下,电缆和连接器可更小、更轻,而且成本也会更低。此外,分散式电源架构还有显着的热管理及电源系统备援的好处(图3- 4)。



图3 : 标准 DC-DC 转换器效率为 94%
图3 : 标准 DC-DC 转换器效率为 94%

图4 : Vicor DC-DC 转换器效率为 98%
图4 : Vicor DC-DC 转换器效率为 98%

分散式架构的模组化组件优势

分散式供电(图5)的模组化方法具有高度的可扩充性。



图5 : 混合动力电动车的模组化方法
图5 : 混合动力电动车的模组化方法

电池的 48V分散 输出给车内各高功率负载,从而可使更低电流(4 倍)及更低功耗(16倍)的优势最大化,带来极小化的 PDN。根据各个分散式负载的电源需求分析,可以设计一组最适模组组合,用於并行阵列。


本实例中是 2kW 模组。如前文所述,最适性和可扩充性主要看系统。透过使用分散式模组代替大型集中式 DC-DC 转换器,N+1 备援也能够以显着降低的成本实现。如果负载功耗在汽车开发阶段有所变更,该方法依然有优势。工程师可以快速增减模组,无需对整个完成的客制化电源重新进行修改。另一个设计优势是缩短开发时间,因为可继续使用大部分已获得核准和认证的模组。


在更高电压的电池系统中实施分散式模组化 48V 架构


图6 : 纯电动车的模组化方法
图6 : 纯电动车的模组化方法

纯电动车或高性能混合动力车使用高电压电池,因为动力总成和底盘系统功率需求很高。48V SELV PDN 对於OEM 厂商而言有显着的优势,但电源系统设计人员多了额外的挑战,即高功率 800V 或 400V 至 48V的转换。


这款高功率 DC-DC 转换器还需要隔离,但不需要稳压。分散 48V 至12V 转换器布置的一大优势是更好的稳压。上游高功率转换器可因後级已使用稳压 PoL 转换器,可使用固定比率拓扑模组。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於 800/48 和 400/48。在该范围内使用稳压转换器不仅效率很低,而且还会因热管理带来很大的问题。


由於400V 或 800V 配电时的安全要求,分散布置这款高电压隔离转换器不仅非常困难,而且成本还很高。然而,高功率集中式固定比例转换器可使用电源模组取代大型「银盒子」DC-DC 转换器进行设计。


可据以开发具有最适性及可扩充性的电源模组,然後轻松进行并联,用於具有不同动力总成及底盘电气化要求的各种车辆。此外,Vicor固定比率母线转换器(BCM)还是双向的转换器,支援各种能源再生方案。BCM采用正弦振幅转换器(SAC) 高频率软开关拓扑,可实现98% 以上的效率。具有2.6kW/in3 的功率密度,可显着缩小集中式高电压转换器的尺寸。


汽车供电架构的分散式模组化方法可简化复杂的供电挑战,从而可提高效能和生产力,缩短上市时间。


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