
从派克峰到 Bonneville 盐滩,Lightning 的速度超越内燃机摩托车
Lightning Motorcycle 设计的电动摩托车在各个领域都表现出色。了解 Vicor 电源模块如何支持下一代摩托车的详情
作者:Pat Kowalyk,Vicor 北美汽车首席现场应用工程师
图 1:瞬态测试比较:与 12V 电池相比,电流为 75A 时,电压在 48V 至 12V 之间。Vicor NBM2317 电源模块对 50A 负载的响应比标准 12V 电池快 3 倍。
掀开电动汽车引擎盖,您可能会惊奇地发现一款常规 12V 铅酸电池,或者一款附加的 48V 电池。您可能会想,既然车上已经有一款 400V 或 800V 电池来为电机供电了,为什么电动汽车还需要一款常规电池?今天,12V 或 48V 电池虽然都可为车上的所有其它系统供电,但它们会增加成本和重量,还会占用宝贵的空间。为什么不将 12V 电池替换成 400–800V 电池为车内的所有系统供电?
答案很简单,许多汽车系统,尤其是安全系统,必须对电源的突然变化快速做出响应,而过去,电池的响应速度比 DC-DC 电源转换器要快很多。直到最近,电源系统工程师还没有办法在不增加不必要的重量的情况下,安全可靠地将 800V 或 400V 降压转换为支持快速瞬态响应的 48V 甚至 12V 电压。
此外,在使用硬开关 DC-DC 转换器拓扑时,新型电动汽车的功耗比内燃机高 20 倍(从 3kW 增加到 50kW 以上),这会给供电网络带来巨大压力,导致常规电力电子设备大幅增加,从而占用空间、增加重量并会限制行驶里程。
鉴于电动汽车的电源需求,现在是时候重新审视提供所需电源的最佳方式了,而不是试图改造内燃机 (ICE) 的供电架构。使用传统 DC-DC 电源转换器,电动汽车无法在不影响性能和功能的情况下应对约 20 倍的相关电源增长,因而会降低其吸引力。这种重新审视并不是一项轻松的改造工作。这是一个需要推倒重来的项目,需要通过创新而不是常规的视角来探索。
电气化所取得的常规进展是通过为汽车增加更多、更高功率的电池推动的。而这些电池十分笨重。最新车型引入了 800V 电池,但同一辆车也搭载了 12V 甚至 48V 电池。封装空间和重量代价高昂,三款电池不仅效率低,而且也没必要。
传统方法是增加电池,而全新的创新方法则是在增加亟需的电源瞬态响应的同时,移除电池、释放封装空间、减轻重量。
高性能电源转换对淘汰电池至关重要。具体而言,转换器的快速瞬态响应是最重要的变量。如果高性能电源转换器能够提供大于或等于 12V 电池 250A/ms 的快速响应,那么移除 12V 电池及其相关重量与封装空间貌似也很合理。
12V 电池最重要的作用是为需要大量电源的负载充当蓄电池。车辆典型负载的流耗有两种类型:一种是启动,而另一种则是稳态运行。当电源最初应用到特定负载时,可以应用原始电源,也有可能电源已经存在,只需一个启用信号即可。
使用原始电源的负载会消耗大量电流,要么为电容器充电,要么启动电枢。接下来,负载通电(启动)后,电流会下降,负载将持续运行(稳态)。这一初始流耗使电池成为传统燃油汽车的一个好选择,而对在电动汽车却并非如此,因为它的重量会严重影响续航里程和性能。因此,淘汰笨重的 12V 铅酸或锂电池并使用可提供极快瞬态响应的更轻紧凑型高性能 DC-DC 转换器取而代之非常有意义。
用传统转换器替换车辆中的 12V 电池,可能会导致负载电压下降到足以让负载关闭的水平,从而会导致车辆重启。在电流相对于时间的变化过程中,要查看的一个关键参数是负载电压偏差。这被称为瞬态响应;电压偏差越小,系统性能就越高。
设计新型电动汽车,需要考虑大量全新的高科技解决方案。模块化电源方法与 Vicor 专有正弦振幅转换器 (SAC™) 等拓扑相结合,有助于实现远远超过 12V 铅酸电池的压摆率(瞬态响应)。利用 SAC 的模块化方法,可以处理从高压电池到负载的数千安培电流,从而可消除稳压的任何压降或负载失控。基准测试显示:模块化电源可实现的响应时间比典型 12V 电池快 3 倍(图 1)。
汽车制造商通常需要 250A/ms 来支持其最快负载,12V 电池可达到这一要求 (75A/30μs)。Vicor 模块化方法可提供更快的瞬态响应 (75A/10μs),能够创建一款响应速度比 12V 电池快 3 倍的“虚拟电池”。
该解决方案成为汽车电源最佳选择的部分原因在于与 SAC 相结合的模块化电源。SAC 有一个匝数比,称之为 K 因数,是一次匝与二次匝的比率。该拓扑的重要优势是任何一次侧电容都可乘以 K 因数的平方。对于 12 至 48V 转换过程而言,K 因数为 ¼,也就是说有效二次电容为 4 的平方,即一次电容的 16 倍。
Vicor NBM 是一款理想的转换器,可将能量负载从常开的机械源转换为循环开关的电气能源,从而可增强控制、提高效率。与 SAC 相结合的 NBM 可帮助工程师创建虚拟电池,该虚拟电池可复制物理电池的基本属性,具有电池的所有优势,但没有电池的重量、尺寸或温度限制(图 2)。
图 2:与 EMI 滤波、极少组件及外壳绑定的 Vicor 电源模块,可取代 12V 铅酸电池或锂离子电池,从而可减轻 15-40 磅的重量。
使用模块化方法有助于设计人员将电源划分成不同的区域。设计人员可以在仪表板、后备箱和/或所有四个车轮旁边布置 NBM,取代集中电源架构。使电源更接近负载,可以为高性能电源系统减少寄生电感和串联电阻。此外,同样的方法也适用于有类似性能的高压至 48V 转换,创建 48V 虚拟电池(图 3)。
图 3:分布式架构不仅可提供更高的设计灵活性,而且还可减轻车上线缆及线束的重量,从而可释放空间、增大行驶里程。
这使得使用牵引电机电池降压转换为不同的安全电压非常有意义,牵引电机电池是车上最大的能源。一般情况下,电动汽车的牵引电机电池可能是 400V,也可能是 800V,它们很快就会被 1200VDC 或 1400VDC 电池取代。
模块化方法不仅可消除输入输出端的所有内部串联电感,而且还可轻松处理每秒 70 万安培或每毫秒 700 安培的电流。它可以轻松并联在阵列中,创建一个大型电源处理系统,并与所有 60V 以上的主母线电压隔离。
从理论上讲,NBM 在其电源容量方面只受热限制,如果散热得当,可处理大量电源。它不仅可增加双向工作的优势,而且还可在两个方向启动。
在这个全新的电气化时代,OEM 厂商将从重新审视汽车电气化方案中获得巨大优势。从头设计供电网络并仔细斟酌所有车辆的电气需求,不仅可获得更多优势,而且还可让性能显著提升。
简言之,通过采用模块化电源,不仅可淘汰 12V 电池,而且还可加快瞬态响应、减轻重量并增大封装空间。所有这一切都有助于增加行驶里程、提高整体性能。
本文最初由 Power Systems Design 发布。
Patrick Kowalyk 采用 Vicor 创新的高功率、高密度及高效率解决方案解决供电问题已超过 20 年。Patrick 是 Vicor 是北美地区的汽车首席现场应用工程师,主要帮助电源工程师架构新的汽车供电系统。他毕业于伊利诺伊理工学院,获电气工程学士学位。
Pat Kowalyk,Vicor 北美汽车首席现场应用工程师
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