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重新定义汽车供电网络

Vicor 方案的重点是供电网络架构的三个方面:充电、转换与供电。重新定义汽车供电网络的架构,既可减轻重量,又能节省系统成本。

Electric car image

减轻重量、节省成本的机会

最近的几份行业报告证实,电动汽车使用率的增长趋势非常明显。虽然疫情让全球汽车销售止步不前,但消费者有时间思考换车方案,而且好像很多人都认为电动汽车是一个可行的选项。然而,对于消费者的广泛采用仍然存在许多潜在的障碍,最显著的就是续航里程和充电时间问题。

尽管如此,由于许多国家和地区政府的举措以及制造商优惠政策,电动车销量将在未来几年大幅增长。

从汽车制造商的角度来看,未来发展仍然有大量技术难题需要解决。最初开发电动汽车是为了在现有品牌车型的基础上,针对早期用户市场增加电动汽车备选方案。然而,持续、显著的增长需要许多不同领域取得技术进步。

例如,电池设计正在进行重大创新,涉及新的化学成份和构建方法。尽管这些发展仍处于初级阶段,但已经取得了可喜的成就。此外,部署便捷的电动汽车充电基础设施,也需要大量投资。续航里程和充电时间仍然是消费者最关心的问题,除此之外还有价格,但影响这些问题的关键因素是汽车的重量。

电动汽车现在仍然使用 12V 电池为非牵引相关功能提供电源支持,如风挡雨刮器、座椅舒适度控制装置以及信息娱乐系统等。一些制造商目前正在使用 48V 电池替换 12V 电池,满足新车型需求。

原有低电压

如今,与 1918 年哈德逊汽车公司引入标准化电池概念时的情况大不相同,任何一辆新车都配有大量基于电子设备的特性。今天,时尚的触摸屏控制信息娱乐系统通常整合了无线电、媒体播放器、GNSS 导航系统、智能手机集成以及车辆状态和系统配置菜单。此外,车内乘客还可通过智能手机、大容量 SD 卡或在线服务播放音乐。先进驾驶辅助系统 (ADAS) 结合雷达、激光雷达以及基于机器学习的计算机视觉,可提供自适应巡航控制 (ACC)、盲点检测以及紧急制动等综合驾驶辅助。汽车技术的进步引人瞩目,但它们都有过去的原有设备:传统 12V 电池为其供电。

对于配备 400V 或 800V 电池组的电动汽车而言,整合额外的电池和相关的电源管理电子设备来为上面提到的所有设备供电,似乎会招致不必要的材料清单成本。图 1 是与内燃机相比,混合动力及全电动汽车的动力架构的复杂程度。

过去,制造商将单独的系统功能封装在单独的电子控制单元 (ECU) 中,每个电子控制单元都由 12V 电源供电。这种分布式电源管理及转换方法将带来高昂的 BOM 成本。当然,BOM 成本并不是唯一需要考虑的因素,因为 12V 主电池和所有电源组件的重量都将是一个不容忽视的有效载荷。例如,12V 启动电池的平均重量为 20 公斤,加上其他的电源转换组件,这一重量可能还会迅速显著增加。

从另一个角度看,对于 DC-DC 电源而言,与传统燃油汽车不足 3kW 的电源转换与管理相比,电动汽车动力系统需要 50kW 以上的电源转换与管理。因此,以最小的空间、最小的重量实现可靠、高效的电源转换就变得至关重要了。电动汽车的动力架构需要支持驱动动力系统、车载及基础设施充电以及传统系统。

 

Comparison of power architectures used in internal combustion engines, hybrid and fully electric vehicles image

图 1:燃油车、混合动力汽车和全电动汽车的电源架构比较。

汽车供电架构,一种不同的方案

Vicor 提出的解决电动汽车开发挑战的可行方案是使用虚拟 12V(或 24V/48V)电池(图 2)。与其依赖单独的 12V 电池,为什么不直接从车辆的 400V 或 800V 主电池组创建虚拟电池?使用这种方法,制造商不仅可减轻重量,同时还可降低相关工程、供应链和库存的成本。

Virtual battery 12V and 48V sources image

图 2:使用虚拟电池 12V 及 48V 电源实施电动汽车电源架构。

将高密度高压至低压转换模块整合在现有子系统中,Vicor 方案还可实现更高程度的集成和 BoM 成本的降低,从而满足 OEM 厂商的需求。

Vicor 方案的重点是图 2 所示的供电网络架构的三个方面:充电、转换和供电。

  • 电动汽车充电:电动汽车行业正在逐步为电池组采用 800V 工作电压,但目前部署的电动汽车充电基础设施大多基于最初 400V 标准。因此,任何新款电动汽车都必须能够适应这两个电压。高效和直接双向转换的模块现已面世,可提供一个极其灵活、可扩展的高效率高密度解决方案,实现电池与充电站的兼容。
  • 电源转换:使用符合汽车标准的高密度 DC-DC 模块转换电动汽车的高压主电池,可为汽车制造商显著减轻重量、节省空间。此外,双向电源转换功能还可为供电架构设计提供高度的灵活性。无需 48V 中间能量存储,使用时,可通过高电压电池的虚拟 48V 电池进一步减轻重量、节省空间。
  • 虚拟供电:在较新的汽车中,48V 的应用包括全新驱动、转向以及线控制动高功率系统等。在满足这些网络的供电需求的同时,在电源需求增加的情况下支持原有 12V 负载(见图 3),需要仔细考虑。Vicor 现已提供比原有解决方案更小、更轻的紧凑型高密度模块解决方案。
Bridging 12V and 48V image

图 3:通过车辆高压电池的虚拟电源架构支持原有 12V 应用。

重新定义汽车供电架构

随着汽车 OEM 厂商在提高汽车性能与功能性的同时,努力降低二氧化碳排放,电动汽车已被证明是最好的选项。然而将电动汽车的重量保持最轻,实现更大的续航里程,被证明是一项挑战。重新定义汽车供电网络的架构,既可减轻重量,又能节省系统成本。

本文最初由 Bodo's Power System 发表。

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