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12V 鉛酸電池即將退出市場?

利用電動汽車的高壓電池,更有效地提供 12V 電壓。本文作者是 Vicor 歐洲汽車業務開發總監 Nicolas Richard。

Car battery image

沒錯,汽車 12V 鉛酸電池即將退出市場。 歐洲已頒佈法令,2030 年之後,所有新車均不再使用鉛酸電池,這給 OEM 廠商尋找替代解決方案帶來了極大的挑戰。 雖然這似乎是一項艱巨的任務,但它也可帶來巨大的機遇,不僅可消除對環境有害的電池,同時還可減輕車輛重量並提高整體效率。

12V 電池及供電網路(PDN)是全球標準,支持數百種負載,包括一些與安全密切相關的負載,因此,解決方案既要有創新性,而且還必須堅固。 用來連接高壓、48V 和 12V PDN 的高密度、大功率、高效電源模組,可針對這一即將出現的挑戰提供具有最高靈活性及可擴展性的解決方案。

在考慮潜在解決方案時,OEM 廠商必須考慮幾個重要因素:新增功率來支持效能更好的新特性,提高效率以延長行駛里程並優化熱管理,减少二氧化碳,優化電纜佈線,減輕線束重量,以及滿足 EMI 要求。 這些都是這個複雜方程式中的一些變數。

為該方程式求解有兩個主要選項。 將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池是一個選項。 雖然它確實可略微減輕重量,但也會保留 12V PDN 幾十年的傳統,不會產生其它優勢。 另一個選項是支持電動汽車和混合動力汽車/插電式混合動力汽車中由 400V 或 800V主電池供電的12V PDN。 後一種選項優勢眾多,但這兩種選項都值得進一步探索。

採用 12V 鋰離子電池

簡單地將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池,的確可節省約 55% 的重量,但對成本影響很高。 12V 鋰離子電池需要一個電池管理系統(BMS)來控制充電並在汽車的整個生命週期內保持電池的全面工作。 特斯拉和現代的發展方向就是這樣的。
此外,還需要增加一款從高壓到 12V 的大型 DC-DC 轉換器(具有電壓和電流調節特性),才能為 12V 鋰離子電池充電並為電力負載供電。 但這不會新增任何優勢。 它所新增的只是重量、車輛總體佈置的複雜性和系統成本,而且還會降低車輛的整體可靠性。 相比之下,消除 12V 電池,不僅可將汽車重量减少 13kg,還可將貨艙空間增大 2.4%。

傳統的 12V PDN 效率低

維護一款 12V 的物理電池,就意味著維護一個具有不必要冗餘的低效率 PDN。 在典型的汽車 12V PDN 中,所有連接 12V 母線的 12V 負載都有內部前置穩壓器,可將寬輸入電壓範圍(通常從 6V 到 16V)轉換為 5V、3.3V 或更低電壓。 從全球系統角度來看,無論是電動汽車、混合動力汽車,還是插電式混合動力汽車,都有串聯穩壓器冗餘。 一款從高壓到 12V 的 DC-DC 轉換器可為 12V 母線(效率高)穩壓,而前置穩壓器則可為每個負載提供合適的內部電壓(圖1)。

這種傳統架構起源於汽車配備交流發電機的時代,交流發電機是一種敏感的 12V PDN,需要穩壓才能為電池充電,在啟動事件中保持無線電工作,或讓車的白熾大燈保持適當亮度。 OEM 廠商非常有創意地繞過了 12V 電源限制,近年來設計了兩款12V電池,一款用於動力轉向的 24V 電池以及其間的幾款 DC-DC 轉換器。

Typical E/E used in xEVs with 12V battery using redundant voltage regulator stages image

圖1:xEV 使用的典型 E/E,採用使用冗餘穩壓器的 12V 電池。 高壓至 12V 的 DC-DC 可為 12V 輸出穩壓,為 12V 電池充電。 車輛中的每個 12V 負載都有一個前置穩壓器,以提供負載工作所需的適當電壓。

用虛擬電池替代 12V 電池

解决該問題的更好方法是完全重新考慮汽車 PDN:取消 12V 的物理電池,用電動汽車主電池中的 12V “虛擬”電池替代(圖2)。 每輛電動汽車都有一個主電池,因此搭載額外的儲能設備無意義。 理想的車輛架構是使用一款高壓電池為動力系統及所有輔助負載供電。 Vicor 高密度母線轉換器模組技術可實現這一方案,它將低壓電池(48 或 12V)直接從高壓電池(400 或 800V)虛擬化出來。

Optimized E/E architecture eliminates the physical 12V battery image

圖2:優化的 E/E 架構可取消 12V 的物理電池。 使用 Vicor BCM 母線轉換器技術轉化高壓電池,可創建虛擬12V 電池。

Vicor BCM ®  母線轉換器採用零電壓、零電流開關(ZVS/ZCS)技術,其工作頻率比常規轉換器高,因此其響應速度比物理電池快。 例如,BCM6135 與常規 ZVS/ZCS 諧振轉換器不同,工作頻率為 1.2MHz,該 BCM 在窄帶頻率下工作(圖3)。 BCM 的高頻率工作可針對負載電流的變化以及從輸入到輸出的低阻抗路徑提供快速回應。 固定比率轉換、雙向工作、快速瞬態回應(每秒超過 8MA)和低阻抗路徑相結合,可幫助 BCM 使高壓電池看起來像 48V 電池,我們將其稱為“變壓”。 與常規轉換器相比,這種對電源進行變壓的功能既是重要優勢,也是重要的差异化特性。

Fast load transient response of BCM6135 image

圖3:BCM6135 的快速負載瞬態響應是支持 12V 負載的關鍵。 瞬態響應為每秒 800 萬安培(8MA/s)。 黃色:輸入電壓(800VDC),紅色:輸出電壓(48V),藍色:輸出電流。

Functional block diagram of BCM Bus Converter

圖4:BCM 母線轉換器的功能框圖。 雖然 BCM 可進行 DC-DC 轉換,但它還可使用變壓器進行高效的 AC-AC 轉換,不僅可按 K 因數縮放大小,而且還可使用開關模組在 AC 與 DC 之間進行轉換。 開關在高頻率下完成,而且由於具有和變壓器一樣的能量傳輸特性,因此轉換不僅能對瞬態負載變化做出快速響應,而且還可在輸入和輸出之間提供一個低阻抗路徑。

Vicor BCM 可用作固定比率轉換器,其中輸出電壓是輸入電壓的一個固定比值。 Vicor BCM6135 轉換器為隔離式,採用 61 x 35 x 7 毫米封裝提供 2.5kW 的電源,峰值效率超過 97%。 它可輕鬆並聯在陣列中,提供更大功率。

該 BCM 的固定比率内容可確保虛擬電池保持在其適當的工作範圍內。 例如,在800V 電池供電的電動汽車中,可確保高壓電池在 520 至 920V 之間。 比率為 1/16 的 BCM6135 可為 48V 電池實現虛擬化,確保電壓範圍在 32.5 和 57.5V 之間。 BCM 6135 1/8 的比率可用於 400V 電動汽車(圖3)。

電池虛擬化還可使用 1/4 固定比率轉換器擴展至 12V 母線。 這種情況不需要電流隔離,可以使用 Vicor NBM™ 母線轉換器。 與 BCM 的其它特性相同,NBM 非隔離母線轉換器具有上述所有優勢:快速瞬態響應、低阻抗和雙向工作。 12V 母線上的電壓範圍保持在 8.125V 與 14.375V 之間,與高壓電池電壓的比率是固定的。 BCM 和 NBM 技術是連接汽車各供電網絡的理想變壓器。

Min and max voltages on the 48V bus and 12V bus with Vicor BCM/NBM bus converter technology table

錶1:採用 Vicor BCM/NBM 母線轉換器技術的 48V 母線和 12V 母線上的最小電壓和最大電壓。 48V 和 12V 電壓範圍均符合 VDA 320 和 LV 124 標準。

E/E architecture with 12V and 48V battery virtualization based on BCM6135 and NBM2317 modules image

圖5:基於 BCM6135 和 NBM2317 模組的 12V 及 48V 電池虛擬化 E/E 架構。 48V 母線還可作為一個更高效電源,為車輛中的更高負載供電,如空調冷凝器、水泵和主動底盤穩定系統等。

確保功能安全負載的供電冗餘至關重要。 Vicor 電源模組在電源與傳輸方面完全可擴展,因此可將其設計成冗餘PDN,從而可通過兩條專用電源轉換路徑實現為功能安全至關重要的負載供電。 最終,OEM 廠商可實施本地化能量存儲,確保 ADAS、轉向和刹車等重要系統的功能安全運行。

電動汽車供電網路將何去何從

12V 鉛酸電池將很快退出歐洲市場。 鑒於所有的創新都推動了電動汽車供電網絡重新設計,這個時機非常合適。

汽車電所 PDN 正處於 12V 供電的十字路口。 試圖保持最少的架構變化的同時,越來越多的嚴格電源負載應用於車輛。 特斯拉首席執行官 Elon Musk 表示:“我們為什麼還要用 12V 電壓?12V 只是殘留的電壓,的確太低了。”

OEM 廠商正在爭先恐後地設計更好的 PDN,為電動汽車提供更大的里程和更高的效能。 完全取消 12V 電池明顯是一個長期解決方案,不僅可减少重量和空間,而且還能提供更好的瞬態回應及系統性能。 Vicor 技術不僅可實現這些優勢,而且還可提供無與倫比的靈活性、可擴展性和功率密度。 Vicor 的PDN 模組方案為解决新一代 xEV 的 12V 供電網路的近期挑戰提供理想的構建塊。

在加入 Vicor 之前,Nicolas 在 IDT(瑞薩電子)擔任北美汽車業務部負責人,主要從事動力系統、資訊娛樂系統與 ADAS 系統的技術銷售。 在加入 IDT 之前,他曾在安森美擔任過 4 年的現場應用工程師,領導一個內部設計及應用團隊(是一支“從概念到產品冠軍”團隊),負責安森美在密歇根州底特律的汽車銷售新產品增長戰略。 他的工作經歷還包括在大陸汽車公司的 9 年工程與開發工作,在此期間,他曾在大陸汽車混合動力與電動汽車部門擔任各種工程設計職務,主要設計 DC/DC 轉換器和牽引逆變器。

Nicolas Richard

Nicolas Richard, Vicor 歐洲汽車業務開發總監

本篇文章最初由 Power Electronic Europe 發表。

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