
因派克(INFAC)为电池组提供更多电力,增加电动汽车续航里程
INFAC 将 DC-DC 转换器集成到电动汽车电池组中,利用冷却系统并节省空间。48V 高功率模块有助于减小电缆和连接器尺寸,进而提升里程范围
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未来汽车将集成多个电压等级。12V、48V 以及 400V 和 800V 高压系统正使电气架构日趋复杂。
对话嘉宾:Andreas Wisser,Vicor 欧洲、中东及非洲地区(EMEA)销售与市场副总裁;Haris Muhedinovic,Vicor 欧洲、中东及非洲地区工程经理
未来汽车不再只有单一电压轨,而是会同时包含 12V、48V 以及 400V 或 800V 左右的高压电压轨。DC-DC 转换器对于在这些直流电压轨之间高效转换能量不可或缺。我们与 Vicor 欧洲、中东及非洲地区工程经理 Haris Muhedinovic 以及 Vicor 欧洲、中东及非洲地区销售与市场副总裁 Andreas Wisser 进行了交流,话题涵盖 SDV 电源、安全性、冗余、电池、DC-DC 转换器等多个方面。
问:目前公司业务进展如何?
答:我们很满意,因为我们与 OEM 厂商建立了牢固的合作与伙伴关系。我们的主要优势之一是与 OEM 厂商保持着紧密联系。同时,OEM 厂商也非常看重我们的灵活性。他们并不只是想要一套普通的 DC-DC 产品路线图,而是会非常具体地告诉我们他们有哪些想法、需要什么。这正是我们的模块化方法发挥作用的地方。
问:我们该如何为 SDV 供电?
答:DC-DC 转换器是区域架构中供电的赋能者和基础,而这种架构正是软件定义汽车的支柱。每个区域控制器都需要一个 DC-DC 转换器,因为每个控制器都需要由高压直接转换而来的电源。借助我们的技术,就能够在非常小的空间实现供电。我们提供灵活的交钥匙电源解决方案,OEM 厂商和一级供应商都可以信赖。
问:与传统方法相比,你们的方法有何不同?例如在主动空气悬架系统中?
答:传统的主动空气悬架系统采用 48V 电压轨。除了 DC-DC 转换器之外,这还需要一个超级电容和/或一个电池。我们的解决方案完全基于一个响应速度非常快的 DC-DC 转换器,也就是说既不需要超级电容,也不需要单独的电池。这样就可以降低维护工作量,延长使用寿命,并消除与充电超级电容相关的问题。Vicor 的 DC-DC 转换器可以将能量直接转换至高压电池,而超级电容可能已经处于满电状态。现在已经不再需要让超级电容或 48V 电池保持在特定荷电水平,因为我们的 DC-DC 转换器可以立即提供高达 3.5kW 甚至 5kW 的功率。凭借双向模块,我们可以支持 90% 以上的主动阻尼系统。
问:您提到了模块化方法——这具体意味着什么?
答:对于关键领域,我们已经有合适的模块,例如从高压转换到 48V 或 12V、从 48V 转换到 12V、或者从 800V 转换到 400V 的模块。因此,OEM 厂商可以很容易地实现几条主要电压轨:高压、48V 和 12V。如果 OEM 厂商希望保留现有的 48V 加热系统、主动悬架或其他系统,同时将电池(包括牵引电压)迁移到 800V,那么只需相对较少的工作量即可实现。其他电压等级同样可行。OEM 厂商可以实施高度灵活的双向解决方案,从而覆盖广泛的供电网络需求并快速完成实施。原则上,只需要一块 800V 或 400V 的高压电池。所有其他电压轨,例如 48V 或 12V,都完全由快速 DC-DC 转换器来处理。
现在车辆中有许多应用在 48V 下运行效率更高。使用适当的转换器模块,隔离供电的负载始终可以获得所需的 48V 电源——要么来自高压轨,要么来自 12V 电压轨。例如,在 48V 转向系统中,高压轨可以通过适当的转换器提供主电源,而 12V 电压轨则作为备用。甚至可以通过 12V 点烟器插座维持混合动力汽车高压电池的荷电水平;而 DC-DC 转换器能够做到这一点。
问:这将对车载供电网络产生什么影响?
答:我们相信未来属于 48V 电压轨,48V 将成为车辆中主要的低压等级。换句话说,48V 将成为新的 12V,尽管 12V 仍会继续存在。从长远来看,12V 电池将从车辆中消失,并被 48V 电池所取代。所有安全相关应用都将在 48V 下运行;并且从安全架构的角度来看,这些系统显然需要冗余电源——要么使用 48V 电池,要么使用另一个从高压到 48V 的 DC-DC 转换器。由于剩余的 12V 用电负载将不再是安全关键负载,因此配备高压电压轨的车辆将不再需要专用的 12V 电池。届时,DC-DC 转换器将为特定子系统提供所需的 12V 电源。
问:12V 将在哪些领域继续发挥作用?
答:有些系统仍会使用 12V 电源运行。这方面的典型例子包括车门模块、车内照明以及其他功耗相对较低的负载。目前,传统系统还不允许从 12V 全面过渡到 48V。然而,可以使用紧凑的 48V 转 12V 稳压器轻松提供这一电压。这样的转换器可以放置在采用 12V 电源的传统控制单元之前。即便在高性能应用中,我们也可以通过在负载点(PoL)直接从 48V 转换到 1V 甚至 0.8V,以大电流方式高效地提供所需电压。电流倍增器或正弦振幅转换器(也称为 SAC 或谐振转换器)是首选方法。挑战始终在于大电流,因为根据公式 P=I²×R,损耗与电流的平方成正比。因此,更好的做法是将较高的 48V 电压一直分配到电子设备附近,然后在那里使用高效的 PoL 稳压器。这个概念被称为分比式电源架构(FPA)。“分比式”指固定转换比率,例如 48V 与 12V 之间 4:1 的比率,或者从 48V 转换到 1V 时 48:1 的比率。本质上,这些分比式固定比率转换器的工作方式很像变压器,后者同样具有固定匝数比,因此也具有固定转换比。简单来说,可以将它们称作 DC 变压器。
问:为什么这些 DC 变压器在目前的设计中使用得仍然很少?
答:传统的转换器需要相当大的空间,而且它们的效率并不总是最高的。
现在,Vicor 通过 BCM 系列改变了这一局面。尽管这些分比式固定比率转换器的占用空间非常小,却能提供高达 98% 的效率。我们的工程师与制造部门密切合作,因为要在如此小的封装内管理 3.5kW 的功率并非易事。热优化尤其重要,无论是在转换器级别还是系统级别。然而,我们已经解决了这些挑战,并且也很好地控制了寄生电感和寄生电容。我们的所有磁性元件都采用平面结构,这意味着我们可以通过 100% 的自动化来复现磁性参数。原边和副边之间,或各层之间的距离始终保持不变。由于不需要绕制线圈,典型的绕线相关挑战也随之消失。因此,我们能够在电路板层面实现对设计的完全控制。
问:SiC 和 GaN 等宽禁带半导体在这里发挥什么作用?
答:我们同时使用硅 MOSFET 和氮化镓 MOSFET,并且目前正在开发属于我们自己的全新技术。在数据中心,也出现了从 800V 直接转换到 48V,甚至在接近负载点的位置转换到更低电压的趋势。这与汽车领域之间存在哪些协同效应?
是的,在高性能计算领域,800V 似乎也正在成为主力电压——想想英伟达正在推动的架构。从高压等级开始,电力始终会经过一个 48V 的中间电压级。单从高压安全的角度考虑,就必须具备电气隔离和接触防护。即便如此,也完全可以在紧挨着的位置设置一个 48V 转 0.9V 的转换器。在这方面,我们正收到越来越多来自数据中心领域的咨询。这不仅有利于高效的大批量制造,也是因为按照汽车质量标准开发的设计正在进入高性能计算领域。如果能在功耗达到兆瓦级的计算机机架中将效率提高几个百分点,不仅可以降低服务器本身的电费;而且还可以节约冷却成本,也就是废热排出成本,而这会产生非常大的影响。
问:汽车制造商和一级供应商对 DC-DC 转换器有什么要求?
答:我们与各种 OEM 厂商保持着非常紧密的合作伙伴关系。除了效率、热管理和尺寸等硬性技术因素外,其他方面也同样重要。例如,我们会帮助客户尽可能减少模块型号种类。借助我们的模块化解决方案,OEM 厂商可以使用预定义的封装尺寸,并选择不同的功率等级,如 2kW、4kW、6kW 甚至 10kW,从而以通用基础配置覆盖不同产品细分市场,同时保持全面的软件兼容性。OEM 厂商越来越希望在产品性能上实现差异化:从电机和牵引逆变器,到电池及其电池管理,再到各个 DC-DC 转换器。他们想要的不仅仅是 COTS(商用现货组件)——换句话说,不仅仅是标准组件。封装空间同样非常重要,因为空间有限,而且热管理也是一项真正的挑战。这正是我们解决方案的用武之地。在许多情况下,车辆设计需要很高的峰值功率,例如 5kW,但仅在最多 5% 的时间内需要。传统上,这会导致两种做法:要么使用一个明显过大的转换器,要么配置一个与之匹配的超级电容。借助新的模块,这些功率峰值可以被更有效地承接。当然,模块会升温,但以我们的 3.5kW 模块为例,其热阻为 0.1K/W,因此可以在相当长的时间内提供峰值功率。在没有散热器的情况下,我们可以连续 6 分钟提供 1.3kW 的功率,这意味着在很多情况下既不需要超级电容,也不需要缓冲电池。这些 BCM6135 DC-DC 转换器最近已经在多款全新车型中投入量产。Vicor BCM6135 是目前用于将高压转换为 SELV(安全特低电压,最高 60V)的最强大、最快速的 DC-DC 转换器,并成为推动车辆电源系统创新的催化剂。
问:在量产方面,这些新解决方案的接受度如何?
答:在欧洲,商业框架条件通常意味着,在过渡到批量生产时,与现有解决方案相比,这些创新会被放弃。然而在亚洲,全新产品正在进入量产。这是典型的“中国模式”:先引入创新,之后再专注于成本优化。相比之下,欧洲承袭的是成本优化的供应商模式,通常只有当创新同时可带来立竿见影的成本优势时,才会接受。因此,目前欧洲无法像其他地区那样快速实施创新。
问:谈到为 SDV 供电,我们讨论的是哪些技术规格?
答:一个关键因素是对电流变化的快速响应,因此通常需要约 500kA/s 的 di/dt 值。当我们的模块以 1.3MHz 或 1.5MHz 的开关频率工作时,实现这一点没有问题。双向转换能力对于实现 12V 负载的能量回收也很重要。与 12V 电池不同,我们的转换器不受温度影响;即使在 −20℃ 或 −40℃ 到 +80℃ 的温度范围内,它们也能提供高达 8MA/s 的 di/dt 值。由于分比式电源架构采用固定转换比,48V 电压轨上的 1μF 电容在 12V 电压轨上相当于 16μF,这有助于降低成本。如今,一款重量仅 65g、可将 800V 转换为 48V 的 3.5kW 模块,效率可超过 98%,即使在满载时也仍能达到 97% 以上。当从整体系统架构出发、自上而下地审视这些方面时,各项技术参数就形成了一幅协调一致的图景。归根结底,电源设计绝不能成为未来性能升级的瓶颈。
本文最初由 Automotive Digital Transformation 发布。
Andreas Wisser 现任 Vicor 欧洲、中东及非洲地区销售与市场副总裁,常驻德国伊斯马宁(Ismaning)。他在半导体行业销售与市场领域拥有 30 多年的经验,负责欧洲、中东及非洲地区业务,致力于发展并深化 VICOR 的客户关系,推动区域业务发展。他拥有科隆应用技术大学(FH Cologne)电气工程硕士学位和普尔茨海姆应用技术大学(Pforzheim University)的工商管理硕士学位。
Andreas Wisser,欧洲、中东及非洲地区销售与市场副总裁
Haris Muhedinovic 与 OEM 厂商及一级供应商合作,为最严苛的汽车应用设计并开发最高性能的电源解决方案。凭借对电力电子和电子系统的兴趣,Haris 持续关注行业新技术和新趋势,从而能够实施满足最严苛规格要求的电源解决方案。Haris 拥有萨拉热窝大学(University of Sarajevo)的硕士学位,并在电力电子设计与应用工程领域拥有 7 年的经验。
Haris Muhedinovic,欧洲、中东及非洲地区工程经理
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