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功率模組為未知的電動汽車電源挑戰提供了全新可能

汽車電氣化發展正在新增電動汽車運行所需的電力,瞭解設計人員如何為各種車載系統供電。

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作者:Greg Green,汽車客戶項目總監

汽車電氣化發展正在推動當前汽車電力設計架構的變革。 這既新增了汽車運行所需的電力,也影響了設計人員為各種車載系統供電的方法。 全球範圍內的工程師正竭力解决里程有限以及充電站不足的問題。 經濟上有很多懸而未決的問題。 這可能是工程師面臨過的最重要的電源挑戰。

例如,純電動汽車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)的動力系統使用高壓電池(800V 或 400V),該高壓電池還必須在 48V 及 12V 下為汽車配件供電。 降低這些負載所需的 DC-DC 轉換器一般都很笨重。 但可通過結合基於 Vicor 正弦振幅轉換(SAC™)電源拓撲的轉換器來緩解這一問題。SAC 可幫助設計人員將 DC-DC 轉換器重量銳減50%,將封裝體積銳減 60%,從而可提供傳統電源方案所無法比擬且具備改變遊戲規則的優勢。

純電動汽車的耗電量是傳統燃油汽車的 20 倍

汽車的電氣化是用電網發電取代車載發電,這些能量儲存在高壓電池中。 除了這一變革,諸如電動轉向和電動懸架、ADAS 和資訊娛樂系統等大量控制系統和子系統的轉換,也為電源系統工程師帶來了新的挑戰。 與內燃機(ICE)相比,電動汽車的電源需求提高了 20 倍。 當前的純電動汽車需要 100kW 以上的電源,配件的電源需求至少占這一總需求的 4kW。 相比之下,ICE 只需要 2.5 至 4.5kW 的總電源。 這一指數級增長給工程師造成了巨大的障礙。

Heavy duty ICE vehicle vs BEV EV power image

圖 1:與內燃機(ICE)相比,電動汽車的電源需求提高了 20 倍。 與內燃機 2.5 ~ 4.5kW 的電源需求相比,現時純電動汽車的需求為 100kW 以上。

工程師面臨的另一項重大變革是,電力來源不再是通過 ICE 發電的、持續運行的 12V 交流發電機,而是使用電池中儲存且有限的 400V 或 800V 電源。 許多配件都在 12V 電壓下進行了成本和效能優化,因此需要在車輛中保留 12V 電源。 因而,電源系統工程師需要一個將高壓電池電源轉換為 48V 或 12V 的架構,才能滿足各種車輛子系統的需求。 理想的系統將最大限度提升功率密度,以減輕重量並縮小組織體積。

SAC 支持更輕、更小的電源轉換

創建高功率密度 DC-DC 轉換器的關鍵在於 SAC 拓撲的使用。SAC 工藝的基礎是零電壓/零電流開關,可實現固定比率電壓轉換。

圖 2:SAC 工藝的基礎是零電壓/零電流開關,可實現固定比率電壓轉換。

為盡可能使轉換器更小,開關在 1300KHz 以上的頻率下完成,這允許使用更小的磁性材料和更短的路徑運轉。SAC 一方面的優勢是表現出每秒超過 8.6MA 的極快瞬態回應。

Bench testing of fast transient response scope shot image

圖 3:Vicor SAC 拓撲具有極快的瞬態回應效能。這裡的基準測試顯示:在斜率為 8.6MA/s 的情况下,加載步長為 0~80A,也就是說空載至滿負載用時不足 10µs,速度明顯比使用電池快。80 ~ 0A 的負載階躍甚至更快,達到 17.6MA/s 斜率。

SAC DC-DC 轉換器已經在高效能運算領域使用了幾十年,可提供超過 15kW/kg 和 85kW/L 的功率密度。汽車電氣化也同樣離不開該技術。

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Automotive solutions image

圖 4:Vicor 電源模組不僅體積小、功率密度大,而且非常靈活,可設計用於充電、轉換和橋接的架構。

如何構建小型化電動汽車供電網路

使用基於 SAC 的器件,不僅可縮小電源網路組件的尺寸,而且允許電源工程師採用大量不同的管道優化供電網路。 電池電壓可輕鬆轉換為 48V,並在負載點從 48V 網路降至 12V。 使用 Vicor 高壓 BCM® 母線轉換器,能輕鬆實現從主電池(400/800V)到 48V 的轉換。BCM 僅重58克,體積僅為 0.016 升,可提供 2.5kW 的 48V 電源。 48V 電源可使用高效 ZVS PRM™ 穩壓器穩壓,其重量僅為 40 克,體積為 0.01 升。

48V 穩壓電源可使用一款負載點 DCM™ DC-DC 穩壓器轉換為 12V;用於此處的 2kW 器件重量為 29 克,體積為 0.01 升。 使用 SAC 拓撲,只需 136 克的轉換器件,系統便可提供 2kW 的 12V 穩壓電源,這不僅可銳減高達 65% 的系統重量,而且還可節省多達 50% 的 DC-DC 轉換器封裝空間。

圖 5 顯示在應用中減輕這些重量並節省這些空間的方法。 本案例著眼於當前最普及的三種純電動汽車中的 400V 至 12V DC-DC 轉換器。

圖 5:比較一些當今最普及純電動汽車的轉換器,可以瞭解每一種轉換器的重量及空間需求。

這些是現時可提供的最好系統,但由於使用了基於可用的最佳分立式組件集的標準設計,其功率密度很低。 這些均可通過使用 SAC 拓撲和 Vicor 電源模組顯著提升。

為了從 400V 電池電源提供 4kW 的 12V 穩壓電源,系統不僅需要使用 BCM® 提供隔離和 48V 饋電,而且還需要使用 DCM™ 降壓轉換至 12V 電源。 兩個 BCM6135 器件和兩個 DCM3735 器件組成的陣列可用於提供所需的 4kW 電源。 該晶片組重量僅 266g,功率密度為 15kW/kg,占位空間僅 0.046L,即體積功率密度為87kW/L。 為了在車輛中提供全面的功能,還需要一些額外的電路,其中包括高壓連接器、低壓連接器、散熱片、外殼、帶附加電路(反向極性、預充電、EMI 濾波器)的 PCB 以及用於 CAN 通訊的隔離器和連接器。

加上新增的系統部件,4kW DC-DC 轉換器的重量僅為 1.4kg,功率密度為 2.5kW/kg,體積只有 0.76L,因此體積功率密度為 5.22kW/L。

圖 6:與其它解決方案相比,Vicor 電源轉換器的體積更小,效率更高,功率密度提高了 6 倍。

因此,與現時可提供最大體積密度的特斯拉 DC-DC 轉換器相比,Vicor 系統的體積功率密度提高了 6 倍,體積縮小了 58%。 據統計,每減輕 1 公斤重量,汽車的行駛里程就能新增 0.8 公里。 因此,Vicor 系統不僅可為其它組件騰出更多封裝空間,而且還可新增 1.0 公里的行駛里程。 此外,小型化 Vicor 系統的重量是福特野馬 Mach-E 系統的一半,但提供的有效功率密度提高了 1.7 倍。

所有車輛,無論是內燃機,還是全電動系統,都面臨著最大限度減輕車輛重量和優化車輛體積的挑戰。 使用基於 SAC 的科技來實現 DC-DC 電源轉換的小型化,為實現這些目標指明了道路。

汽車電氣化發展正在新增運行電動汽車所需的電力,設計人員如何為各種車載系統供電?

Greg Green 現任 Vicor 公司汽車客戶項目總監。 他在汽車行業擁有超過 33 年的豐富經驗,涉及 OEM 廠商和一級供應商的製造、設計工程和產品線管理。 Greg 豐富的汽車產業經驗包括製造、產品開發和業務開發等。 Greg 先後畢業於密歇根大學和凱特林大學,分別獲航空航太工程學士學位和製造管理碩士學位。

Greg Green

Greg Green,汽車客戶項目總監

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