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电源模块为未知的电动汽车电源挑战提供了全新可能

汽车电气化发展正在增加电动汽车运行所需的电力,了解设计人员如何为各种车载系统供电

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作者:Greg Green,汽车客户项目总监

汽车电气化发展正在推动当前汽车电气设计架构的变革。这既增加了汽车运行所需的电力,也影响了设计人员为各种车载系统供电的方式。全球范围内的工程师正竭力解决里程有限以及充电站不足的问题。经济上有很多悬而未决的问题。这可能是工程师面临过的最重要的电源挑战。

例如,纯电动汽车 (BEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 的动力系统使用高压电池(800V 或 400V),该高压电池还必须在 48V 及 12V 下为汽车配件供电。降低这些负载所需的 DC-DC 转换器一般都很笨重。但可通过结合基于 Vicor 正弦振幅转换 (SAC™) 电源拓扑的转换器来缓解这一问题。SAC 可帮助设计人员将 DC-DC 转换器重量锐减 50%,将封装体积锐减 60%,从而可提供传统电源方案所无法比拟且具备改变游戏规则的优势。

纯电动汽车的耗电量是传统燃油汽车的 20 倍

汽车的电气化是用电网发电取代车载发电,这些能量储存在高压电池中。除了这一变革,诸如电动转向和电动悬架、ADAS 和信息娱乐系统等大量控制系统和子系统的转换,也为电源系统工程师带来了新的挑战。与内燃机 (ICE) 相比,电动汽车的电源需求提高了 20 倍。当前的纯电动汽车需要 100kW 以上的电源,配件的电源需求至少占这一总需求的 4kW。相比之下,ICE 只需要 2.5 至 4.5kW 的总电源。这一指数级增长给工程师造成了巨大的障碍。

Heavy duty ICE vehicle vs BEV EV power image

图 1:与内燃机 (ICE) 相比,电动汽车的电源需求提高了 20 倍。与内燃机 2.5 ~ 4.5kW 的电源需求相比,目前纯电动汽车的需求为 100kW 以上。

工程师面临的另一项重大变革是,电力来源不再是通过 ICE 发电的、持续运行的 12V 交流发电机,而是使用电池中储存且有限的 400V 或 800V 电源。许多配件都在 12V 电压下进行了成本和性能优化,因此需要在车辆中保留 12V 电源。因而,电源系统工程师需要一个将高压电池电源转换为 48V 或 12V 的架构,才能满足各种车辆子系统的需求。理想的系统将最大限度提升功率密度,以减轻重量并缩小单位体积。

SAC 支持更轻、更小的电源转换

创建高功率密度 DC-DC 转换器的关键在于 SAC 拓扑的使用。SAC 工艺的基础是零电压/零电流开关,可实现固定比率电压转换。

图 2:SAC 工艺的基础是零电压/零电流开关,可实现固定比率电压转换。

为尽可能使转换器更小,开关在 1300KHz 以上的频率下完成,这允许使用更小的磁性材料和更短的路径运转。SAC 一方面的优势是表现出每秒超过 8.6MA 的极快瞬态响应。

Bench testing of fast transient response scope shot image

图 3:Vicor SAC 拓扑具有极快的瞬态响应性能。这里的基准测试显示:在斜率为 8.6MA/s 的情况下,加载步长为 0~80A,也就是说空载至满负载用时不足 10µs,速度明显比使用电池快。80~0A 的负载阶跃甚至更快,达到 17.6MA/s 斜率。

SAC DC-DC 转换器已经在高性能计算领域使用了几十年,可提供超过 15kW/kg 和 85kW/L 的功率密度。汽车电气化也同样离不开该技术。

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Automotive solutions image

图 4:Vicor 电源模块不仅体积小、功率密度大,而且非常灵活,可设计用于充电、转换和桥接的架构。

如何构建小型化电动汽车供电网络

使用基于 SAC 的器件,不仅可缩小电源网络组件的尺寸,而且允许电源工程师采用大量不同的方式优化供电网络。电池电压可轻松转换为 48V,并在负载点从 48V 网络降至 12V。使用 Vicor 高压 BCM® 母线转换器,能轻松实现从主电池 (400/800V) 到 48V 的转换。BCM 仅重 58 克,体积仅为 0.016L,可提供 2.5kW 的 48V 电源。48V 电源可使用高效 ZVS PRM™ 稳压器稳压,其重量仅为 40 克,体积为 0.01L。

48V 稳压电源可使用一款负载点 DCM™ DC-DC 稳压器转换为 12V;用于此处的 2kW 器件重量为 29 克,体积为 0.01 升。使用 SAC 拓扑,只需 136 克的转换器件,系统便可提供 2kW 的 12V 稳压电源,这不仅可锐减高达 65%的系统重量,而且还可节省多达 50% 的 DC-DC 转换器封装空间。

图 5 显示在应用中减轻这些重量并节省这些空间的方法。本案例着眼于当前最普及的三种纯电动汽车中的 400V 至 12V DC-DC 转换器。

图 5:比较一些当今最普及纯电动汽车的转换器,可以了解每一种转换器的重量及空间需求。

这些是目前可提供的最好系统,但由于使用了基于可用的最佳分立式组件集的标准设计,其功率密度很低。这些均可通过使用 SAC 拓扑和 Vicor 电源模块显著提升。

为了从 400V 电池电源提供 4kW 的 12V 稳压电源,系统不仅需要使用 BCM® 提供隔离和 48V 馈电,而且还需要使用 DCM™ 降压转换至 12V 电源。两个 BCM6135 器件和两个 DCM3735 器件组成的阵列可用于提供所需的 4kW 电源。该芯片组重量仅 266g,功率密度为 15kW/kg,占位空间仅 0.046L,即体积功率密度为 87kW/L。为了在车辆中提供全面的功能,还需要一些额外的电路,其中包括高压连接器、低压连接器、散热片、外壳、带附加电路(反向极性、预充电、EMI 滤波器)的 PCB 以及用于 CAN 通信的隔离器和连接器。

加上新增的系统部件,4kW DC-DC 转换器的重量仅为 1.4kg,功率密度为 2.5kW/kg,体积只有 0.76L,因此体积功率密度为 5.22kW/L。

图 6:与其它解决方案相比,Vicor 电源转换器的体积更小,效率更高,功率密度提高了 6 倍。

因此,与目前可提供最大体积密度的特斯拉 DC-DC 转换器相比,Vicor 系统的体积功率密度提高了 6 倍,体积缩小了 58%。据统计,每减轻 1 公斤重量,汽车的行驶里程就能增加 0.8 公里。因此,Vicor 系统不仅可为其它组件腾出更多封装空间,而且还可增加 1.0 公里的行驶里程。此外,小型化 Vicor 系统的重量是福特野马 Mach-E 系统的一半,但提供的有效功率密度提高了 1.7 倍。

所有车辆,无论是内燃机,还是全电动系统,都面临着最大限度减轻车辆重量和优化车辆体积的挑战。使用基于 SAC 的技术来实现 DC-DC 电源转换的小型化,为实现这些目标指明了道路。

汽车电气化发展正在增加运行电动汽车所需的电力,设计人员如何为各种车载系统供电?

现任 Vicor 公司汽车客户项目总监。他在汽车行业拥有超过 33 年的丰富经验,涉及 OEM 厂商和一级供应商的制造、设计工程和产品线管理。Greg 丰富的汽车产业经验包括制造、产品开发和业务开发等。Greg 先后毕业于密歇根大学和凯特林大学,分别获航空航天工程学士学位和制造管理硕士学位。

Greg Green

Greg Green,汽车客户项目总监

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