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重新定義汽車供電網路

Vicor 方案的重點是供電網路架構的三個方面:充電、轉換與供電。 重新定義汽車供電網路的架構,既可減輕重量,又能節省系統成本。

Electric car image

減輕重量、節省成本的機會

最近的幾份行業報告證實,電動汽車使用率的增長趨勢非常明顯。 雖然疫情讓全球汽車銷售止步不前,但消費者有時間思考換車方案,而且好像很多人都認為電動汽車是一個可行的選項。 然而,對於消費者的廣泛採用仍然存在許多潜在的障礙,最顯著的就是續航里程和充電時間問題。

儘管如此,由於許多國家和地區政府的舉措以及製造商優惠政策,電動車銷量將在未來幾年大幅增長。

從汽車製造商的角度來看,未來發展仍然有大量技術難題需要解决。 最初開發電動汽車是為了在現有品牌車型的基礎上,針對早期用戶市場新增電動汽車備選方案。 然而,持續、顯著的增長需要許多不同領域取得技術進步。

例如,電池設計正在進行重大創新,涉及新的化學成份和構建方法。 儘管這些發展仍處於初級階段,但已經取得了可喜的成就。 此外,部署便捷的電動汽車充電基礎設施,也需要大量投資。 續航里程和充電時間仍然是消費者最關心的問題,除此之外還有價格,但影響這些問題的關鍵因素是汽車的重量。

電動汽車現在仍然使用 12V 電池為非牽引相關功能提供電源支持,如風擋雨刮器、座椅舒適度控制裝置以及資訊娛樂系統等。 一些製造商目前正在使用 48V 電池替換 12V 電池,滿足新車型需求。

原有低電壓

如今,與 1918 年哈德遜汽車公司引入標準化電池概念時的情况大不相同,任何一輛新車都配有大量基於電子設備的特性。 今天,時尚的觸控式螢幕控制資訊娛樂系統通常綜合了無線電、媒體播放機、GNSS 導航系統、智能手機集成以及車輛狀態和系統配寘選單。 此外,車內乘客還可通過智慧手機、大容量 SD 卡或線上服務播放音樂。 先進駕駛輔助系統(ADAS)結合雷達、雷射雷達以及基於機器學習的電腦視覺,可提供自我調整巡航控制(ACC)、盲點檢測以及緊急制動等綜合駕駛輔助。 汽車科技的進步引人矚目,但它們都有過去的原有設備:傳統 12V 電池為其供電。

對於配備 400V 或 800V 電池組的電動汽車而言,綜合額外的電池和相關的電源管理電子設備來為上面提到的所有設備供電,似乎會招致不必要的材料清單成本。 圖 1 是與內燃機相比,混合動力及全電動汽車的動力架構的複雜程度。

過去,製造商將單獨的系統功能封裝在單獨的電子控制單元(ECU)中,每個電子控制單元都由 12V 電源供電。 這種分佈式電源管理及轉換方法將帶來高昂的 BOM 成本。 當然,BOM 成本並不是唯一需要考慮的因素,因為 12V 主電池和所有電源組件的重量都將是一個不容忽視的有效載荷。 例如,12V 啟動電池的平均重量為 20 公斤,加上其他的電源轉換組件,這一重量可能還會迅速顯著增加。

從另一個角度看,對於 DC-DC 電源而言,與傳統燃油汽車不足 3kW 的電源轉換與管理相比,電動汽車動力系統需要 50kW 以上的電源轉換與管理。 因此,以最小的空間、最小的重量實現可靠、高效的電源轉換就變得至關重要了。 電動汽車的動力架構需要支持驅動動力系統、車載及基礎設施充電以及傳統系統。

 

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

圖 1:燃油車、混合動力汽車和全電動汽車的電源架構比較。

汽車供電架構,一種不同的方案

Vicor 提出的解决電動汽車開發挑戰的可行方案是使用虛擬 12V(或 24V/48V)電池(圖 2)。 與其依賴單獨的 12V 電池,為什麼不直接從車輛的 400V 或 800V 主電池組創建虛擬電池? 使用這種方法,製造商不僅可減輕重量,同時還可降低相關工程、供應鏈和庫存的成本。

Virtual battery 12V and 48V sources image

圖 2:使用虛擬電池 12V 及 48V 電源實施電動汽車電源架構。

將高密度高壓至低壓轉換模組綜合在現有子系統中,Vicor 方案還可實現更高程度的集成和BoM 成本的降低,從而滿足 OEM 廠商的需求。

Vicor 方案的重點是圖 2 所示的供電網路架構的三個方面:充電、轉換和供電。

  • 電動汽車充電:電動汽車行業正在逐步為電池組採用 800V 工作電壓,但現時部署的電動汽車充電基礎設施大多基於最初 400V 標準。 因此,任何新款電動汽車都必須能够適應這兩個電壓。 高效和直接雙向轉換的模組現已問世,可提供一個極其靈活、可擴充的高效率高密度解決方案,實現電池與充電站的相容。
  • 電源轉換:使用符合汽車標準的高密度 DC-DC 模組轉換電動汽車的高壓主電池,可為汽車製造商顯著減輕重量、節省空間。 此外,雙向電源轉換功能還可為供電架構設計提供高度的靈活性。 無需 48V 中間能量存儲,使用時,可通過高電壓電池的虛擬 48V 電池進一步減輕重量、節省空間。
  • 虛擬供電:在較新的汽車中,48V 的應用包括全新驅動、轉向以及線控制動高功率系統等。 在滿足這些網路的供電需求的同時,在電源需求新增的情况下支持原有 12V 負載(見圖 3),需要仔細考慮。 Vicor 現已提供比原有解決方案更小、更輕的緊湊型高密度模組解決方案。
Bridging 12V and 48V image

圖 3:通過車輛高壓電池的虛擬電源架構支持原有 12V 應用。

重新定義汽車供電架構

隨著汽車 OEM 廠商在提高汽車效能與功能性的同時,努力降低二氧化碳排放,電動汽車已被證明是最好的選項。 然而將電動汽車的重量保持最輕,實現更大的續航里程,被證明是一項挑戰。 重新定義汽車供電網路的架構,既可減輕重量,又能節省系統成本。

本文最初由 Bodo's Power Systems 發表。

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