電源模塊為未知的電動汽車電源挑戰(zhàn)提供了全新可能

汽車電氣化發(fā)展正在推動當(dāng)前汽車電氣設(shè)計(jì)架構(gòu)的變革。這既增加了汽車運(yùn)行所需的電力，也影響了設(shè)計(jì)人員為各種車載系統(tǒng)供電的方式。全球范圍內(nèi)的工程師正竭力解決里程有限以及充電站不足的問題。經(jīng)濟(jì)上有很多懸而未決的問題。這可能是工程師面臨過的最重要的電源挑戰(zhàn)。

例如，純電動汽車 (BEV) 和插電式混合動力汽車 (PHEV) 的動力系統(tǒng)使用高壓電池（800V 或 400V），該高壓電池還必須在 48V 及 12V 下為汽車配件供電。降低這些負(fù)載所需的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器一般都很笨重。但可通過結(jié)合基于 Vicor 正弦振幅轉(zhuǎn)換 (SAC?) 電源拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器來緩解這一問題。SAC 可幫助設(shè)計(jì)人員將 DC-DC 轉(zhuǎn)換器重量銳減 50%，將封裝體積銳減 60%，從而可提供傳統(tǒng)電源方案所無法比擬且具備改變游戲規(guī)則的優(yōu)勢。

純電動汽車的耗電量是傳統(tǒng)燃油汽車的 20 倍

汽車的電氣化是用電網(wǎng)發(fā)電取代車載發(fā)電，這些能量儲存在高壓電池中。除了這一變革，諸如電動轉(zhuǎn)向和電動懸架、ADAS 和信息娛樂系統(tǒng)等大量控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，也為電源系統(tǒng)工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。與內(nèi)燃機(jī) (ICE) 相比，電動汽車的電源需求提高了 20 倍。當(dāng)前的純電動汽車需要 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(shù)級增長給工程師造成了巨大的障礙。

圖 1：與內(nèi)燃機(jī) (ICE) 相比，電動汽車的電源需求提高了 20 倍。與內(nèi)燃機(jī) 2.5 ~ 4.5kW 的電源需求相比，目前純電動汽車的需求為 100kW 以上。

工程師面臨的另一項(xiàng)重大變革是，電力來源不再是通過 ICE 發(fā)電的、持續(xù)運(yùn)行的 12V 交流發(fā)電機(jī)，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，因此需要在車輛中保留 12V 電源。因而，電源系統(tǒng)工程師需要一個將高壓電池電源轉(zhuǎn)換為 48V 或 12V 的架構(gòu)，才能滿足各種車輛子系統(tǒng)的需求。理想的系統(tǒng)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(zhuǎn)換

圖 2：SAC 工藝的基礎(chǔ)是零電壓/零電流開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)固定比率電壓轉(zhuǎn)換。

為盡可能使轉(zhuǎn)換器更小，開關(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(yùn)轉(zhuǎn)。SAC 一方面的優(yōu)勢是表現(xiàn)出每秒超過 8.6MA 的極快瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 3：Vicor SAC 拓?fù)渚哂袠O快的瞬態(tài)響應(yīng)性能。這里的基準(zhǔn)測試顯示：在瞬態(tài)率為 8.6MA/s 的情況下，加載步長為 0 ~ 80A，也就是說空載至滿負(fù)載用時不足 10μs，速度明顯比使用電池快。80 ~ 0A 的加載步長的轉(zhuǎn)換速率甚至更快，達(dá)到 17.6MA/s 瞬態(tài)率 。

SAC DC-DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在高性能計(jì)算領(lǐng)域使用了幾十年，可提供超過 15kW/kg 和 85kW/L 的功率密度。汽車電氣化也同樣離不開該技術(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(shè)計(jì)用于充電、轉(zhuǎn)換和橋接的架構(gòu)。

如何構(gòu)建小型化電動汽車供電網(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(zhuǎn)換為 48V，并在負(fù)載點(diǎn)從 48V 網(wǎng)絡(luò)降至 12V。使用 Vicor 高壓 BCM?母線轉(zhuǎn)換器，能輕松實(shí)現(xiàn)從主電池 (400/800V) 到 48V 的轉(zhuǎn)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(wěn)壓器穩(wěn)壓，其重量僅為 40 克，體積為 0.01L。

48V 穩(wěn)壓電源可使用一款負(fù)載點(diǎn) DCM? DC-DC 穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)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?fù)?，只?136 克的轉(zhuǎn)換器件，系統(tǒng)便可提供 2kW 的 12V 穩(wěn)壓電源，這不僅可銳減高達(dá) 65%的系統(tǒng)重量，而且還可節(jié)省多達(dá) 50% 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器封裝空間。

圖 5：比較一些當(dāng)今最普及純電動汽車的轉(zhuǎn)換器，可以了解每一種轉(zhuǎn)換器的重量及空間需求。

這些是目前可提供的最好系統(tǒng)，但由于使用了基于可用的最佳分立式組件集的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其功率密度很低。這些均可通過使用 SAC 拓?fù)浜?Vicor 電源模塊顯著提升。

為了從 400V 電池電源提供 4kW 的 12V 穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)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(zhuǎn)換至 12V 電源。兩個 BCM6135 器件和兩個 DCM3735 器件組成的陣列可用于提供所需的 4kW 電源。該芯片組重量僅 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(yù)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(tǒng)部件，4kW DC-DC 轉(zhuǎn)換器的重量僅為 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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器相比，Vicor 系統(tǒng)的體積功率密度提高了 6 倍，體積縮小了 58%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每減輕 1 公斤重量，汽車的行駛里程就能增加 0.8 公里。因此，Vicor 系統(tǒng)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(tǒng)的重量是福特野馬 Mach-E 系統(tǒng)的一半，但提供的有效功率密度提高了 1.7 倍。

所有車輛，無論是內(nèi)燃機(jī)，還是全電動系統(tǒng)，都面臨著最大限度減輕車輛重量和優(yōu)化車輛體積的挑戰(zhàn)。使用基于 SAC 的技術(shù)來實(shí)現(xiàn) DC-DC 電源轉(zhuǎn)換的小型化，為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)指明了道路。

汽車電氣化發(fā)展正在挑戰(zhàn)對于工程師如何設(shè)計(jì)各種逐漸增大供電的車載系統(tǒng)。

Greg Green

Vicor 汽車客戶項(xiàng)目總監(jiān)

現(xiàn)任 Vicor 公司汽車客戶項(xiàng)目總監(jiān)。他在汽車行業(yè)擁有超過 33 年的豐富經(jīng)驗(yàn)，涉及 OEM 廠商和一級供應(yīng)商的制造、設(shè)計(jì)工程和產(chǎn)品線管理。Greg 豐富的汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)包括制造、產(chǎn)品開發(fā)和業(yè)務(wù)開發(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。