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將 12V 電池縮小一半並保持冷啟動

對於許多冷啟動情况,12V 電池仍然必不可少。 然而,您可通過正確調整 12V 電池的大小來節省大量空間並顯著減輕重量,以滿足所有靜態電流「常開」使用情况的需求。

Smaller 12V battery when cold starting

汽車在安全性能、舒適性和信息娛樂系統方面的發展正在不斷提升對電源的要求,這為電源系統工程師帶來了挑戰,滿足汽車不斷增長的電源需求的同時要解決重量和空間限製的問題。在過去 10 年中,典型 12V 電源需求從 1.2kW 增加到了 4kW 的連續負載,這對 12V 鉛酸電池產生了復合效應,由於其 50% 放電深度 (DoD) 的限製,12V 鉛酸電池的容量必須是所需電源的兩倍。 

到底為什麼要使用 12V 鉛酸電池? 插電式混合動力汽車和輕度混合動力汽車不能完全淘汰 12V 電池,因為它仍是冷啟動的唯一選擇。 然而,正確調整 12V 電池的尺寸,滿足所有靜態電流「常開」使用情况及冷啟動要求,是一項複雜的運算。

優化 12V 電池,滿足最新電源要求

大多數 OEM 廠商都在為純電動汽車和燃油車重新設計供電架構,以滿足輕度混合動力汽車 (MHEV) 和插電式混合動力汽車 (PHEV) 的要求。他們正在積極努力爭取那些因純電汽車行駛裏程、充電網路及兼容性有局限而對其持保留態度的消費者。今天,插電式混合動力汽車是一個非常務實的選項,不僅無需擔心裏程問題,而且還有電氣化牽引的優勢。

電源系統設計人員不僅要考慮最壞的情况,而且還要考慮所有的極端情况,其中包括 -40 到 +50°C 的環境。 在 -40°C 下啟動發動機是一種最為艱難的使用情况,稱之為冷啟動。

12V 電池的另一項優勢是:它可提供所需的電容,以吸收來自低壓母線的任何瞬態。 這些瞬態通常是從電力起動發電機馬達產生的。

12V 電池的封裝挑戰

通常情况下,啟動器電池封裝在副駕駛座位下,因為發動機艙內的溫度不適合封裝電池。 然而,為插電式混合動力汽車電池尋找封裝空間通常是最大限度提升電動汽車行駛里程的首要任務。 此外,12V 電池不斷增長的電源需求還會加劇封裝難度。 通常需要 H6 型電池的汽車現在需要 H8 AGM 電池「表 1」,需要重新佈置在後排客艙中。 封裝加上新增的 50mm2 的線纜佈線距離「新增達三倍」,將新增系統的總成本和重量。

車輛平臺上的供電架構及組件封裝通常旨在降低所有動力系統「燃油汽車、輕度混合動力汽車和插電式混合動力汽車」的系統複雜性,因此新增的系統成本也會從插電式混合動力汽車轉移至燃油車型。

Sizing, dimensions and typical naming conventions for 12V starter battery chart

錶 1:  這代表 12V 啟動器電池的尺寸、容積及典型命名規範。隨著越來越多的 OEM 廠商將 12V 電池容量從 H4 提高到 H8,增加的尺寸和重量將限製車輛的行駛裏程。使用 Vicor 模塊,12V 規格電池的重量可降低 2/3,體積可縮小近 ½。(數據來源:汽車 DIN 標準)。

最小化 12V 電池,最大化供電網路

12V 電池的典型負載有兩個主要目的:一個是啟動發動機; 另一個是支持待機運行或者獲得“靜態電流”。 隨著用於客戶舒適的電力特性和“常開”特性越來越多,待機電流的需求以及需要常開的特性的數量已呈現指數級增長。 在典型的使用案例中,大多數汽車 OEM 廠商會將待機時間設計為 50 天。 這通常需要消耗 14–16mA 的電流,50 天的週期,就相當於電池組的總體容量為16A·h。

資訊娛樂、遠程資訊處理以及車輛接近解鎖特性,進一步新增達了高達 6A·h 的電池容量「因為它們不常開」。 常開負載總會新增鉛酸電池的循環,這導致了耗盡「低於 50% DoD 時耗盡」的鉛酸電池帶來的高保修費用。

另外,可使用 Vicor 固定比率母線轉換器模組從牽引鋰離子電池提供常開的能量,以便高效將該能量傳輸給常開或循環開關的負載,從而可增强控制、提高效率。 此外,Vicor 在母線轉換器中使用的正弦振幅轉換器「SAC ™」拓撲能够實現比 12V 鉛酸電池更快的瞬態回應「表2」。

Transient performance 12V batteries table

表 2:Vicor 模組的瞬態效能比 12V 電池快得多,可輕鬆處理 700 安培/毫秒的電流。

SAC 拓撲可在無任何壓降的情况下處理從高壓電池到負載的數千安培的電流,而且基準測試顯示:回應時間比典型 12V 電池快 3 倍「表 2」。

Vicor-article-image-shrink-12v-battery-eq1.svg

固定比率轉換器「如 SAC 」的一項重要優勢是比率或 K 因數,即一次匝與二次匝的比率,它對其有效輸出電容有平方效應。

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SAC 拓撲對其有效輸出電容有平方效應。

例如,對於 48 至 12V 轉換器而言,K 因數是 1/4,也就是說有效二次電容是一次電容的 4 倍平方,即 16 倍。

Transient response chart

圖 1:  Vicor 模組具有極好的瞬態回應性,可視為“虛擬電池”。

用於備用電源及常規啟動功能的更輕、更小的虛擬電池

Vicor高壓隔離「BCM ®」「圖2」及低壓非隔離「NBM ™」母線轉換器模組,可為“虛擬電池”提供最佳解決方案。 虛擬電池可在縮小尺寸、減輕重量並减少溫度限制的同時,複製電池的基本屬性。

CM ChiP BCM6135 image

圖 2:  Vicor 模組是非常小巧、輕便的電源模組。 該圖顯示了一款放在手掌中的、K 因數為1/16 的BCM,可提供 2kW 的功率。

如果在大多數啟動情况下,備用負載由 Vicor BCM 或 NBM 供電,12V 鉛酸電池的容量就可大幅降至 H4 以下「僅適用於冷啟動」,從而可進一步減輕系統重量。 這可進一步改進副駕駛座位下方的封裝選項,减少相關線束「圖 3」。

更接近負載,可减少大電流電源系統帶來的寄生電感與串列電阻。 Vicor 提供的封裝優勢是:使其更接近負載。 這不僅可消除輸入或輸出端的任何內部串聯電感,而且還可輕鬆處理每秒 70 萬安培或每毫秒 700 安培的電流,因為它們表現出了優异的瞬態回應性「圖 1」。

Vicor modules coupled with 12V starter battery image
Vicor modules coupled with 12V starter battery image

圖 3:  Vicor 模組與 12V 啟動器電池相結合,有助於顯著縮小 12V 電池的尺寸,而且不會喪失關鍵的 -40ºC 冷啟動功能。 此外,它還允許將電池封裝在合適的位置,同時可在輕度混合動力汽車和插電式混合動力汽車之間實現更簡單和通用電氣架構。 最後,它還可幫助實現 ASIL D 電源系統為 3 級 ADAS 特性做好準備。

Comparing today’s standard 12V solution vs a power module solution table

錶 3:  Vicor 模組不僅有助於降低材料成本和整體系統成本,同時還可在不損失任何功能的情况下,簡化電力架構,提高汽車效率和效能。

Vicor 電源模組為優化電動汽車電源系統開闢新途徑

隨著越來越複雜的舒適性和連接功能與單一平臺上的多個動力系統相結合, OEM 廠商在提高可靠性的同時,還將獲得簡化配電架構的優勢。

汽車 PDN 追求更高的電源設計效率,因此 Vicor 電源模組可為工程師實現其目標提供創新的機會。 插電式混合動力汽車採用電源模組 PDN 具有多種優勢「表 3」。 利用電源模組縮小 12V 電池,可將電源系統設計尺寸縮小 66 %、重量减少 50% 以上、效率提高 15% 以上。 汽車公司可為每輛汽車有效實現高達 95 歐元的成本節省。

使用模組化電源,工程師可最大限度縮小 12V 電池,實現燃油汽車、輕度混合動力汽車以及插電式混合動力汽車之間的通用電源架構並可滿足更多特性需求。 採用電源模組設計,不僅可降低複雜性和重量,而且還可提高可靠性和系統效率,所有這些都有助於降低系統成本、新增電動汽車行駛里程。

本文最初由 Power Systems Design 發表。

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