模块化方法解决 48V 电源架构电气化难题

轿车、卡车、公交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。电气化有许多选择，但大多数选择了 48V 轻度混合动力系统，而非完全混合动力总成。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)，用于空调以及启动时触媒转换器等较重负载。48V 系统可为混合动力电机供电，在节省燃油的同时，更快、更平稳的加速，从而可提高汽车性能。此外，额外的动力可支持转向、刹车和悬架系统，以及全新的安全、娱乐和舒适功能。48V 轻度混合动力系统为快速推出排放更低、行驶里程更远、油耗更低的全新车辆提供了一种途径。此外，它还提供了令人振奋的全新设计选项，以获得更高性能，同时减少二氧化碳排放。

然后，人们对于修改长期存在的 12V 供电网络 (PDN) 却普遍犹豫不决。改变通常需要执行了广泛测试的新技术，也需要能够为汽车产业提高高安全及高质量标准的全新提供商。

最大化 48V PDN

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、风扇和电机等原有 12V 机电负载，无需通过 DC-DC 稳压转换器将 48V 转换成 12V。为了管理变化与风险，现有轻度混合动力供电系统在逐渐增加 48V 负载的同时，仍然使用大型集中式数千瓦 48V 至 12V 转换器，为整个汽车提供 12V 电源。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级转换器拓扑、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 PWM 开关拓扑。此外，它们也代表了大量重要动力总成系统带的单点故障。

另外一种需要考虑的架构是使用模块化电源组件进行分布式供电（图 2）。该供电架构使用更小、更低功耗的 48 至 12V 转换器，分布在整个车辆中接近 12V 负载的地方。简单的功率方程式 P = V • I 和 P_LOSS = I²R 就可以说明为什么 48V 配电比 12V 更高效。

对于给定功率而言，48V 系统电流是 12V 系统的四分之一、损耗 (I²R) 锐降至 1/16 。在 ¼ 电流下，线缆和连接器可能会更小、更轻，而且成本也会更低。此外，分布式电源架构还具有显著的热管理及电源系统冗余优势（图 4）。这是在整个车辆中传输数千瓦电源的另一种方式，无需考虑传统 DC-DC 转换器的重量、散热问题和体积问题。

分布式架构或分区架构的模块化

分布式供电（图 4）的模块化方法具有高度的可扩展性。

电池的 48V 输出分配给车内各种高功率负载，最大限度地提高更低电流（4 倍）及更低功耗（16 倍）的优势，而且还可实现更小、更轻的 PDN。根据对不同分布式负载的负载电源分析，在并联阵列中使用时，可以针对适当功率粒度设计和认证一个模块，并可向上扩展系统的功率水平。

本实例展示了一个 2kW 模块。如前文所述，粒度和可扩展性具有系统依赖性。使用分布式模块代替大型集中式 DC-DC 转换器，也能够以显著降低的成本实现 N+1 冗余。此外，如果负载功耗在汽车开发阶段发生改变，该方法仍然有优势。工程师可以增减模块，无需对整个完成的定制电源进行修改。此外，该模块已经获得批准和认证，可减少开发时间。

实施分布式或分区模块化 48V 架构

纯电动车或高性能混合动力车可使用高电压电池，因为动力总成和底盘系统功率需求很高。48V SELV PDN 对于 OEM 厂商而言依然有显著的优势，但现在，电源系统设计人员则面临 800V 至 48V 或 400V 至 48V 高功率转换的其它挑战。

这款高功率 DC-DC 转换器也需要隔离，但不需要稳压。通过使用稳压 PoL 转换器，上游高功率转换器可使用固定比率拓扑。这具有极大的优势，因为 800/48 和 400/48分别具有16:1 或 8:1 的宽输入输出电压范围，请参见图 5。在该范围内使用稳压转换器不仅效率很低，而且还会给散热管理带来很大的问题。OEM 厂商通常将这种高效的步降解决方案布置在电池组内部，在某些情况下甚至可以不用电池。Vicor 固定比率高压转换产品能够以快速的响应速度实现快速的电流传输，使 OEM 厂商能减少 12 至 14 公斤不必要的 48V 电池重量。

由于 400V 或 800V 配电的安全要求，分散这款高电压隔离转换器不仅困难重重，而且成本还很高。然而，高功率集中式固定比率转换器可使用电源模块取代大型“银盒”DC-DC 转换器进行设计。

可以开发具有适当粒度及可扩展性的电源模块，然后进行轻松并联，用于具有不同动力总成及底盘电气化要求的一系列车辆。此外，Vicor BCM 固定比率母线转换器为双向，可支持各种能源回收方案。BCM 采用正弦振幅转换器 (SAC) 高频率软开关拓扑，因此可实现超过 98％ 的效率。它们还具有 2.6kW/in3 的功率密度，可显著缩小集中式高电压转换器的尺寸。

Patrick Wadden 于 2018 年 10 月加入 Vicor，担任汽车业务发展全球副总裁，负责公司汽车业务的领导工作，其现已成为开发轻度混合动力汽车、EV/HEV 和自主驾驶汽车的公司的重要合作伙伴。

作者：Patrick Wadden，汽车业务发展全球副总裁

在加入 Vicor 之前，Nicolas 在 IDT（瑞萨电子）工作，担任北美汽车业务部负责人，主要从事动力系统、信息娱乐系统与 ADAS 系统的技术销售。在加入 IDT 之前，他曾在安森美担任过 4 年的现场应用工程师，领导内部设计及应用团队（“从概念到产品的冠军”团队）执行安森美在密歇根州底特律的汽车销售新产品增长战略。此外，他丰富的工作经验还包括在大陆汽车公司的 9 年工程设计与开发工作，在此期间，他曾在大陆汽车混合动力与电动汽车业务部担任过各种工程设计职务，主要设计 DC-DC 转换器及牵引逆变器。

Nicolas Richard，Vicor 欧洲汽车业务开发总监