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BCM将高压电池转化至SELV系统
消除电动汽车电源架构中的中间储能级
[作者 Ian Mazsa]   2020年09月15日 星期二 浏览人次: [2044]

纯电动汽车和混合动力汽车的电源架构以混合电压储存并分配电源,以便为各种感测、控制、安全及资讯娱乐子系统供电。这为电源储存和供电网路带来了一个成本、空间及重量挑战,该问题混合动力汽车可透过 48V 电池和 48V 配电系统解决,而电动汽车则可透过高电压电池(800V、400V)和 48V 配电系统解决。


虽然48V电池可立即提供所需的电源,但电动汽车架构中的任何中间电池都会为重量、空间和成本带来不利影响。EV电源架构创新的机会在於:不仅可使用高压电池保持高压储能的优势,同时还可透过使用DC-DC 转换器在 SELV 范围内供电来消除对中间电池的需求。


一般的转换器可提供电压转换,但缺乏快速响应时间,无法满足各种子系统的功耗需求。Vicor BCM可提供低路径阻抗(PDN)和快速响应时间(Transient),从而可将高压电池转化为供电网路中的 48V 电池,无需48V中间电池。本文不仅介绍Vicor BCM转换器与一般DC-DC转换器相比时的作用、工作和功能情况,而且还将提出一个用於电动汽车电源架构时的架构实现方案。


图1 : ICE、混合动力和电动汽车架构的配电及储能比较
图1 : ICE、混合动力和电动汽车架构的配电及储能比较

与之前的架构相比,电动汽车的电源架构非常复杂,因为在原有12V及最新48V输入下,各种子系统都有动态及静态功率级。为了避免增加中间储能阶段的成本和重量,需要一款具有快速暂态响应的高效率转换器,将电池的高压转换为可以安全地在整个汽车中分配的电压。


BCM 转换器

BCM 转换器作为固定比率转换器工作,其中输出电压(也称二次侧电压)是输入电压(也称一次侧电压)的一个固定比值。该固定比值可大於、等於或小於1;我们将其称为K值,定义为输入电压除以输出电压(VPRI/VSEC)。K值小於1时,输入电压减小,输入电流增大;当K值大於1时,输入电压增大,输入电流减小。


表1:透过K值转换电压和电流的实例

K 因数

1/32

1/4

1/1

4/1

VPRI

384

48

48

12

VSEC

12

12

48

48

IPRI

1

1

1

4

ISEC

32

4

1

1


从概念上讲,BCM转换器的内部工作分3个阶段:


1. 一次侧开关级将一次侧DC输入转换成正弦波。


2. 一个理想的变压器级,可将AC转换为AC,并可根据一次侧与二次侧的匝数比(K值)调整电压。


3. 将理想变压器的正弦波转换成DC输出的二次侧开关级。开关级在变压器中正弦波的零电流、零电压交叉位置进行转换,可最大限度减少切换造成的损耗。


BCM具有对称性,透过适当的排序与控制,既可用作降压转换器(从高到低转换)也可用作升压转换器(从低到高转换)。这种固有的双向功能有助於BCM以相同的效率在任何方向进行电源转换。这可为电源转换的各种应用创造无限可能,例如在这些应用中会从储存单元快速充放电,但对於本文而言,其重点是高低转换应用。


图2 : BCM转换器的功能方块图
图2 : BCM转换器的功能方块图

- BCM 不仅可进行DC-DC转换,但它还可使用变压器进行高效的AC-AC转换,不仅可按K 值缩放大小,而且还可使用开关模组在AC与DC之间进行转换。切换在高频率下完成,而且由於具有和变压器一样的能量传输特性,因此转换不仅能对暂态负载变化做出快速回应,还可在输入和输出之间提供一条低阻抗路径。

BCM转换器使用零电流、零电压切换(ZCS/ZVS),工作频率比一般转换器高,例如,BCM6135与一般 ZV/ZC谐振转换器不同,工作频率为1.2MHz,BCM工作在窄带频率下。BCM的高频率工作可实现对负载电流的变化以及从输入到输出的低阻抗路径的变化快速做出回应。


固定比率转换、双向工作、快速暂态响应和低阻抗路径是BCM使384V电池看起来像48V电池的一系列特性,我们将其称为变压(transformation)。与一般转换器相比,对电源进行变压的此一功能既是重要优势,也是重要的差异化特性。


电源变压转换

BCM可透过固定比例缩放将输入电压转换为输出电压,其数学运算式为VOUT = K?VIN。也就是从一个384V的高压电池转换获得48V电源的配电系统,48V母线电压是电池输出电压的一个比例固定值的输出。


一款隔离型BCM(1/8)可将HVDC电池的输出转换为一个与48V配电相容的电压范围。BCM的响应时间很短,从任何低侧负载端的角度来看,384V电池都像是在48V下放电的电池。BCM转换器有效改变了高压电池,因此整个系统可整合更高电压电池的所有能量储存优势,例如与48V能量储存同等的电池相比,支援更快的充电时间和更高的能量密度。


图3 : 高压电池的变压
图3 : 高压电池的变压

1/8 K值BCM转换一个384V电池的输出时,建立一个48V虚拟电池。这种转换保持了384V电池的能量密度和暂态供电功能,而且其SELV电压与下游配电相容。

现在考虑使用一般转换器的同等应用,其可将电压范围内的输入稳压至一个特定的输出电压,其可从输入的变化去耦(decoupled)。输入端的电压波动不会传播至稳压的输出。低频宽稳压转换器可阻止配电系统以电池的直接连线速度供电。从低侧的角度看,只有一个理想化的 48V 电源电压。虽然这种转换有其实用性,但也要承认两个相对的不足之处。


首先,较低的频宽需要一些额外的中间能量储存(电容或额外的电池),在高dI/dt放电事件中提供电流。其次,无需稳压级,因为低侧的负载输入电压是高侧电池的一个固定比例。一般转换器无需稳压,其会浪费能源,增加成本并降低整体系统效率。此外,稳压转换器的有限频宽会缩短对配电系统快速用电的反应时间。


将电源的电压范围设计为配电过程中负载输入范围的一个固定比例,可使用高压(具有与低路径损耗相关的优势)来配电,无需在具有一般转换器的系统中使用不必要的稳压级。进而,设计一款系统(其中所有针对电源、负载和各种配电路径的电压范围均为相互之间的固定比率),有助於为电源储存、配电以及子系统功能做出技术的最隹选择。


这可在高效能电动汽车的电源架构中实现。这些系统使用锂离子电池(针对高容量和高电压进行排列,可实现快速充电),采用48V配电(根据SELV配电的LV148V规范)并使用原有12V低成本子系统与最新48V供电AI技术的混合。BCM可将所有这些电压桥接在一款单个高效率系统中。


图4 : 从高压电池去耦 转换至48V电源
图4 : 从高压电池去耦 转换至48V电源

常规转换器产生48V电压时,该转换器的较低频宽不能像以前那样快速输出功率,而且还会在不必要的稳压级中耗损更多能量。

48V虚拟电池架构

电动汽车的电源架构可使用BCM建立高效率、轻量级的电源系统。高压电池阵列是主要的储能单元,可逐步降低(从高到低转换)至最高效的电压来进行配电。该高压阵列有优势(与较低电压阵列相比,具有能量密度及充电时间优势),也有不足(不支援 SELV),因此是电动汽车应用的理想选择,但也会为整个汽车中的负载配电造成危险。


相反,针对 LV148 规范实施配电系统,有助於电源在安全电压(SELV)下配送。从电池维护这种电压可能比高压更容易,而且对於较小的电流而言,与在原有12V电压下配电相比,安全电压所需的铜箔会更少。


图5 : EV电源架构
图5 : EV电源架构

384V的电池重量减轻了很多,但储能一样,其可透过使用一款 BCM,像48V虚拟电池一样使用。电动汽车电源架构不仅可配送48V电源,而且还可使用NBM将原有12V子系统整合在重量更轻的更高效架构中。

BCM转换器反映了由1/8 K值调整的高压电池放电特徵。这种虚拟电池为符合LV148标准的配电系统供电的效率和真实48V电池一样,但可在系统中提供高电压电池的能量密度及相关优势。


Vicor BCM6135隔离型转换器,在将高压电源连转换至SELV配电时可提供必要的保护,并且在额定电流超过30%的情况下工作时,其峰值效率超过97%,效率超过96%。BCM6135转换器阵列可持续提供高达65A(功率超过 3000W)的电流,能够在HVDC和SELV电压范围之间建立高功率转换级。该BCM6135具有260到410V的输入范围和1/8的固定比率转换,能够提供与48V配电相容的输出。


图6 : BCM6135在整个输出负载电流下的效率
图6 : BCM6135在整个输出负载电流下的效率

BCM6135的封装尺寸为61 x 35 x 7.5公厘,有机壳安装或通孔安装的封装选项,重量为 68克。这种高功率密度(3400w /in3)有利於实体布局,以便针对汽车中的电源架构及重量分配进行最隹化。该封装旨在热传导及液冷系统中工作,封装上下部热耗散大致相等,可在安装及散热解决方案中提供更高的灵活性。


图7 : 机壳安装版BCM6135视图
图7 : 机壳安装版BCM6135视图

扩展48V配电

虽然系统电源可以从48V虚拟电池提供,但对於各种子系统负载而言,它仍然必须分布在整个车辆中,这些子系统负载不仅具有不同的电源需求,而且混合使用了48V输入和原有12V输入。虽然48V相较12V供电的优势显而易见(效率更高,缆线更轻),但这种组合将随时间的推移发生怎样的变化则还未知。随着12V逐渐边缘化,汽车电源架构必须足够灵活,才能在最隹化所有所需走线的重量和成本的同时,适应新的子系统。


理想的解决方案是尽可能地扩展48V配电,并在必要的地方和时间将其转换为12V。LV148规范的工作范围可透过1/4 K 值转换转化为与输入相容的12V配电,因此BCM转换器是极致提高效率的理想解决方案。


另外,这两种电压都是安全超低电压,因此不需要隔离,可使用非隔离转换器在整个系统中将48V转换为12V。一款称之为NBM的非隔离式BCM所有其它特性均相同,具有前面描述的所有特性:快速暂态响应、低阻抗和双向工作。


这种分散式电源架构在为平台保持高灵活性的同时,可提供所有48V配电的优势,无论采用的是 48V输入,还是12V输入,均可根据需要采用新的子系统。NBM可将48V输入转换成12V原有系统的12V电源。NBM可以广泛地整合在汽车中,其实体尺寸非常小,完全可以在其已经布置的地方增加现有的原有子系统,而且如果为了将来系统升级到原生48V子系统而删除它们,其干扰性也极低。


Vicor NBM2317尺寸为23 x 17 x 7.4公厘,重12克(不足半盎司),因此可布置在任何扩展48V 配电的最隹位置。在超过额定电流30%的电流下工作时,峰值效率超过 97.5%。NBM2317能够持续提供高达60A(800W的功率)的电流,采用能够以最小干扰适应现有布局的表面黏着相容性封装,具有极高的散热灵活性,既可透过顶部散热,也可透过底部散热。功率密度(4500 W/in3)比同类竞争模组高,而且与分立式解决方案相比,在功率级不变的情况下,整合的元件更多。


图8 : NBM2317在整个输出负载电流下的效率
图8 : NBM2317在整个输出负载电流下的效率
图9 : 表面贴装NBM2317视图
图9 : 表面贴装NBM2317视图

BCM6135和NBM2317联合使用,可为电动汽车的电源架构提供高度的灵活性,从而可在最大限度发挥SELV 48V配电和HVDC电源储存优势的同时,采用48V和12V子系统的最隹组合,实现高效能电动汽车设计的愿景。


结论

与一般转换器相比,BCM对电源(尤其是电池)的转换功能是重要的优势和最紧要的差异化特性。如果电源架构的一次电源输出电压与任何下游子系统输入电压的比值是固定的,就可以在最高的最隹电压下配电,然後可根据需要由 BCM 对其进行转换,不会因为不必要的稳压级出现损耗。为电动汽车架构实现的优势是消除了中间电池,因为可将高压储能电池转换为相容的 SELV 范围,以便在整个汽车中提供稳定高效的供电。


虽然BCM和NBM都在电动汽车电源系统中找到了归属,但任何其它由电池供电的系统(从超轻无人机到自主工厂机器人,再到尖端人工智慧运算平台)也都可以利用其变压效能优势。


(本文作者Ian Mazsa为Vicor公司产品市场行销总监)


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