電氣化時代是否仍然離不開 12V 電池？

作者：Pat Kowalyk，現場應用工程師

掀開電動汽車引擎蓋，您可能會驚奇地發現一款常規 12V 鉛酸電池，或者一款附加的 48V 電池。您可能會想，既然車上已經有一款 400V 或 800V 電池來為電機供電了，為什麼電動汽車還需要一款常規電池？今天，12V 或 48V 電池雖然都可為車上的所有其它系統供電，但它們會新增成本和重量，還會佔用寶貴的空間。為什麼不將 12V 電池替換成 400–800V 電池為車內的所有系統供電？

答案很簡單，許多汽車系統，尤其是安全系統，必須對電源的突然變化快速做出響應，而過去，電池的響應速度比 DC-DC 電源轉換器要快很多。直到最近，電源系統工程師還沒有辦法在不新增不必要的重量的情况下，安全可靠地將 800V 或 400V 降壓轉換為支持快速瞬態回應的 48V 甚至 12V 電壓。

此外，在使用硬開關 DC-DC 轉換器拓撲時，新型電動汽車的功耗比內燃機高 20 倍（從 3kW 新增到 50kW 以上），這會給供電網路帶來巨大壓力，導致常規電力電子設備大幅增加，從而佔用空間、新增重量並會限制行駛里程。鑒於電動汽車的電源需求，現在是時候重新審視提供所需電源的最佳管道了，而不是試圖改造內燃機（ICE）的供電架構。使用傳統 DC-DC 電源轉換器，電動汽車無法在不影響效能和功能的情况下應對約 20 倍的相關電源增長，因而會降低其吸引力。這種重新審視並不是一項輕鬆的改造工作。這是一個需要推倒重來的項目，需要通過創新而不是常規的視角來探索。電氣化所取得的常規進展是通過為汽車新增更多、更高功率的電池推動的。而這些電池十分笨重。最新車型引入了 800V 電池，但同一輛車也搭載了 12V 甚至 48V 電池。封裝空間和重量代價高昂，三款電池不僅效率低，而且也沒必要。

傳統方法是新增電池，而全新的創新方法則是在新增亟需的電源瞬態回應的同時，移除電池、釋放封裝空間、減輕重量。

12V 電池是否可以退出歷史舞臺了？

高效能電源轉換對淘汰電池至關重要。具體而言，轉換器的快速瞬態回應是最重要的變數。如果高效能電源轉換器能够提供大於或等於 12V 電池 250A/ms 的快速回應，那麼移除 12V 電池及其相關重量與封裝空間貌似也很合理。

12V 電池最重要的作用是為需要大量電源的負載充當蓄電池。車輛典型負載的流耗有兩種類型：一種是啟動，而另一種則是穩態運行。當電源最初應用到特定負載時，可以應用原始電源，也有可能電源已經存在，只需一個啟用訊號即可。

使用原始電源的負載會消耗大量電流，要麼為電容器充電，要麼啟動電樞。接下來，負載通電（啟動）後，電流會下降，負載將持續運行（穩態）。這一初始流耗使電池成為傳統燃油汽車的一個好選擇，而對在電動汽車卻並非如此，因為它的重量會嚴重影響續航里程和效能。因此，淘汰笨重的 12V 鉛酸或鋰電池並使用可提供極快瞬態回應的更輕緊湊型高性能 DC-DC 轉換器取而代之非常有意義。

12V 電池與高效能電源模組

用傳統轉換器替換車輛中的 12V 電池，可能會導致負載電壓下降到足以讓負載關閉的水准，從而會導致車輛重啓。在電流相對於時間的變化過程中，要查看的一個關鍵參數是負載電壓偏差。這被稱為瞬態回應；電壓偏差越小，系統性能就越高。

設計新型電動汽車，需要考慮大量全新的高科技解決方案。模組化電源方法與 Vicor 專有正弦振幅轉換器（SAC™)等拓撲相結合，有助於實現遠遠超過 12V 鉛酸電池的壓擺率（瞬態回應）。利用 SAC 的模組化方法，可以處理從高壓電池到負載的數千安培電流，從而可消除穩壓的任何壓降或負載失控。基準測試顯示：模組化電源可實現的回應時間比典型 12V 電池快 3 倍（圖 1）。

汽車製造商通常需要 250A/ms 來支持其最快負載，12V 電池可達到這一要求（75A/30μs）。Vicor 模組化方法可提供更快的瞬態回應（75A/10μs），能够創建一款響應速度比 12V 電池快 3 倍的“虛擬電池”。

使用一款速度更快、重量更輕、外形更小的高效能電源轉換器替代 12V 電池

該解決方案成為汽車電源最佳選擇的部分原因在於與 SAC 相結合的模組化電源。 SAC 有一個匝數比，稱之為 K 因數，是一次匝與二次匝的比率。 該拓撲的重要優勢是任何一次側電容都可乘以 K 因數的平方。 對於 12 至 48V 轉換過程而言，K 因數為 ¼，也就是說有效二次電容為 4 的平方，即一次電容的 16 倍。

Vicor NBM 是一款理想的轉換器，可將能量負載從常開的機械源轉換為迴圈開關的電力能源，從而可增强控制、提高效率。與 SAC 相結合的 NBM 可幫助工程師創建虛擬電池，該虛擬電池可複製物理電池的基本屬性，具有電池的所有優勢，但沒有電池的重量、尺寸或溫度限制（圖 2）。

使用模組化方法有助於設計人員將電源劃分成不同的區域。設計人員可以在儀錶板、後備箱和/或所有四個車輪旁邊佈置 NBM，取代集中電源架構。使電源更接近負載，可以為高性能電源系統减少寄生電感和串聯電阻。此外，同樣的方法也適用於有類似效能的高壓至 48V 轉換，創建 48V 虛擬電池（圖 3）。

這使得使用牽引電機電池降壓轉換為不同的安全電壓非常有意義，牽引電機電池是車上最大的能源。一般情况下，電動汽車的牽引電機電池可能是 400V，也可能是 800V，它們很快就會被 1200V_DC 或 1400V_DC 電池取代。

模組化方法不僅可消除輸入輸出端的所有內部串聯電感，而且還可輕鬆處理每秒 70 萬安培或每毫秒 700 安培的電流。 它可以輕鬆並聯在陣列中，創建一個大型電源處理系統，並與所有 60V 以上的主母線電壓隔離。

從理論上講，NBM 在其電源容量方面只受熱限制，如果散熱得當，可處理大量電源。它不僅可新增雙向工作的優勢，而且還可在兩個方向啟動。

利用模組化電源為電氣化實現重大變革

在這個全新的電氣化時代，OEM 廠商將從重新審視汽車電氣化方案中獲得巨大優勢。從頭設計供電網路並仔細斟酌所有車輛的電力需求，不僅可獲得更多優勢，而且還可讓效能顯著提升。簡言之，通過採用模組化電源，不僅可淘汰 12V 電池，而且還可加快瞬態回應、減輕重量並增大封裝空間。所有這一切都有助於新增行駛里程、提高整體效能。

Patrick Kowalyk 採用 Vicor 創新的高功率、高密度及高效率解決方案解决供電問題已超過 20 年。Patrick 是 Vicor 是北美地區的汽車首席現場應用工程師，主要幫助電源工程師架構新的汽車供電系統。他畢業於伊利諾伊理工學院，獲電氣工程學士學位。

Pat Kowalyk，現場應用工程師