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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。
电源模块的瞬态响应比 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。
12V 电池是否可以退出历史舞台了？
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。
12V 电池与高性能电源模块
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”。
使用一款速度更快、重量更轻、外形更小的高性能电源转换器替代 12V 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。
利用模块化电源为电气化实现重大变革
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
资源
设计工程师资源
Automotive Engineering Exposition online 2024
Vicor to present latest power modules for 400V – 800V high-efficiency voltage conversion for electric vehicles
International Conference EEHE 2024, Germany
Vicor presented a solution for mitigating inverter ripple currents and voltage in electric vehicles at EEHE conference
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