模組化方法解决 48V 電源架構電氣化難題

轎車、卡車、公交車及機車製造商都在快速為其車輛實現電氣化，以提高內燃機的燃油效率，减少二氧化碳排放。電氣化有許多選擇，但大多數選擇了 48V 輕度混合動力系統，而非完全混合動力總成。輕度混合動力系統除了有傳統 12V 電池之外，還新增了一款 48V 電池。這可新增 4 倍的電量（P = V•I），用於空調以及啟動時觸媒轉換器等較重負載。48V 系統可為混合動力電機供電，在節省燃油的同時，更快、更平穩的加速，從而可提高汽車效能。此外，額外的動力可支持轉向、刹車和懸架系統，以及全新的安全、娛樂和舒適功能。 48V 輕度混合動力系統為快速推出排放更低、行駛里程更遠、油耗更低的全新車輛提供了一種途徑。此外，它還提供了令人振奮的全新設計選項，以獲得更高效能，同時减少二氧化碳排放。

然後，人們對於修改長期存在的 12V 供電網路（PDN）卻普遍猶豫不決。改變通常需要執行了廣泛測試的新技術，也需要能够為汽車產業提高高安全及高品質標準的全新提供商。

最大化 48V PDN

新增 48V 電池，為更重的動力總成及底盤系統負載供電，可為工程師提供各種選項。現在有一個新增系統的選擇，可以直接處理 48V 輸入，也可以保留泵、風扇和電機等原有 12V 機電負載，無需通過 DC-DC 穩壓轉換器將 48V 轉換成 12V。為了管理變化與風險，現有輕度混合動力供電系統在逐漸新增 48V 負載的同時，仍然使用大型集中式數千瓦 48V 至 12V 轉換器，為整個汽車提供 12V 電源。然而，這種集中式架構不僅沒有完全利用 48V PDN 的優勢，而且也沒有利用現在可用的高級轉換器拓撲、控制系統與封裝的優勢。

這些集中式 DC-DC 轉換器（圖 1）絕大多數都很笨重，因為它們使用較早的低頻率 PWM 開關拓撲。此外，它們也代表了大量重要動力總成系統帶的單點故障。

另外一種需要考慮的架構是使用模組化電源組件進行分佈式供電（圖 2）。該供電架構使用更小、更低功耗的 48 至 12V 轉換器，分佈在整個車輛中接近 12V 負載的地方。簡單的功率方程式 P=V•I 和 P_LOSS=I²R 就可以說明為什麼 48V 配電比 12V 更高效。

對於給定功率而言，48V 系統電流是 12V 系統的四分之一、損耗（I²R）銳降至 1/16。 在 ¼  電流下，線纜和連接器可能會更小、更輕，而且成本也會更低。此外，分佈式電源架構還具有顯著的熱管理及電源系統冗餘優勢（圖 4）。這是在整個車輛中傳輸數千瓦電源的另一種管道，無需考慮傳統 DC-DC 轉換器的重量、散熱問題和體積問題。

分佈式架構或分區架構的模組化

分佈式供電（圖 4）的模組化方法具有高度的可擴充性。

電池的 48V 輸出分配給車內各種高功率負載，最大限度地提高更低電流（4 倍）及更低功耗（16 倍）的優勢，而且還可實現更小、更輕的 PDN。根據對不同分佈式負載的負載電源分析，在並聯陣列中使用時，可以針對適當功率細微性設計和認證一個模組，並可向上擴充系統的功率水准。

本實例展示了一個 2kW 模組。如前文所述，細微性和可擴充性具有系統依賴性。使用分佈式模組代替大型集中式 DC-DC 轉換器，也能够以顯著降低的成本實現 N+1 冗餘。此外，如果負載功耗在汽車開發階段發生改變，該方法仍然有優勢。工程師可以增减模組，無需對整個完成的定制電源進行修改。此外，該模組已經獲得批准和認證，可减少開發時間。

實施分佈式或分區模組化 48V 架構

純電動車或高效能混合動力車可使用高電壓電池，因為動力總成和底盤系統功率需求很高。48V SELV PDN 對於 OEM 廠商而言依然有顯著的優勢，但現在，電源系統設計人員則面臨 800V 至 48V 或 400V 至 48V 高功率轉換的其它挑戰。

這款高功率 DC-DC 轉換器也需要隔離，但不需要穩壓。通過使用穩壓 PoL 轉換器，上游高功率轉換器可使用固定比率拓撲。這具有極大的優勢，因為 800/48 和 400/48 分別具有 16:1 或 8:1 的寬輸入輸出電壓範圍，請參見圖 5。在該範圍內使用穩壓轉換器不僅效率很低，而且還會給散熱管理帶來很大的問題。OEM 廠商通常將這種高效的步降解決方案佈置在電池組內部，在某些情况下甚至可以不用電池。Vicor 固定比率高壓轉換產品能够以快速的響應速度實現快速的電流傳輸，使 OEM 廠商能减少 12 至 14 公斤不必要的 48V 電池重量。

由於 400V 或 800V 配電的安全要求，分散這款高電壓隔離轉換器不僅困難重重，而且成本還很高。然而，高功率集中式固定比率轉換器可使用電源模組取代大型“銀盒”DC-DC 轉換器進行設計。

可以開發具有適當細微性及可擴充性的電源模組，然後進行輕鬆並聯，用於具有不同動力總成及底盤電氣化要求的一系列車輛。此外，Vicor BCM 固定比率母線轉換器為雙向，可支持各種能源回收方案。BCM 採用正弦振幅轉換器（SAC）高頻率軟開關拓撲，因此可實現超過 98% 的效率。它們還具有 2.6kW/in3 的功率密度，可顯著縮小集中式高電壓轉換器的尺寸。

Patrick Wadden 於 2018 年 10 月加入 Vicor，擔任汽車業務發展全球副總裁，負責公司汽車業務的領導工作，其現已成為開發輕度混合動力汽車、EV/HEV 和自主駕駛汽車的公司的重要合作夥伴。

作者：Patrick Wadden，汽車業務發展全球副總裁

在加入 Vicor 之前，Nicolas 在 IDT（瑞薩電子）工作，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，領導內部設計及應用團隊（“從概念到產品的冠軍”團隊）執行安森美在密歇根州底特律的汽車銷售新產品增長戰畧。此外，他豐富的工作經驗還包括在大陸汽車公司的 9 年工程設計與開發工作，在此期間，他曾在大陸汽車混合動力與電動汽車業務部擔任過各種工程設計職務，主要設計 DC-DC 轉換器及牽引逆變器。

Nicolas Richard，Vicor 歐洲汽車業務開發總監