Nicolas Richard
Vicor 歐洲汽車業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)
沒錯，汽車12V 鉛酸電池即將退出市場。歐洲已頒布法令，2030 年之后，所有新車均不再使用鉛酸電池，這給 OEM 廠商尋找替代解決方案帶來了極大的挑戰(zhàn)。雖然這似乎是一項艱巨的任務(wù)，但它也可帶來巨大的機遇，不僅可消除對環(huán)境有害的電池，同時還可減輕車輛重量并提高整體效率。
12V 電池及供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 是全球標(biāo)準(zhǔn)，支持數(shù)百種負載，包括一些與安全密切相關(guān)的負載，因此，解決方案既要有創(chuàng)新性，而且還必須堅固。用來連接高壓、48V 和 12V PDN 的高密度、大功率、高效電源模塊，可針對這一即將出現(xiàn)的挑戰(zhàn)提供具有最高靈活性及可擴展性的解決方案。
在考慮潛在解決方案時，OEM 廠商必須考慮幾個重要因素：增加功率來支持性能更好的新特性，提高效率以延長行駛里程并優(yōu)化熱管理，減少二氧化碳，優(yōu)化電纜布線，減輕線束重量，以及滿足 EMI 要求。這些都是這個復(fù)雜方程式中的一些變量。
為該方程式求解有兩個主要選項。將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池是一個選項。雖然它確實可略微減輕重量，但也會保留 12V PDN 幾十年的傳統(tǒng)，不會產(chǎn)生其它優(yōu)勢。另一個選項是支持電動汽車和混合動力汽車/插電式混合動力汽車中由 400V 或 800V 主電池供電的 12V PDN。后一種選項優(yōu)勢眾多，但這兩種選項都值得進一步探索。
采用 12V 鋰離子電池
簡單地將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池，的確可節(jié)省約 55% 的重量，但對成本影響很高。12V 鋰離子電池需要一個電池管理系統(tǒng) (BMS)來控制充電并在汽車的整個生命周期內(nèi)保持電池的全面工作。特斯拉和現(xiàn)代的發(fā)展方向就是這樣的。
此外，還需要增加一款從高壓到 12V 的大型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器(具有電壓和電流調(diào)節(jié)特性)，才能為 12V 鋰離子電池充電并為電氣負載供電。但這不會增加任何優(yōu)勢。它所增加的只是重量、車輛總體布置的復(fù)雜性和系統(tǒng)成本，而且還會降低車輛的整體可靠性。相比之下，消除 12V 電池，不僅可將汽車重量減少 13kg，還可將貨艙空間增大 2.4%。
傳統(tǒng)的 12V PDN 效率低
維護一款 12V 的物理電池，就意味著維護一個具有不必要冗余的低效率 PDN。在典型的汽車 12V PDN 中，所有連接 12V 母線的 12V 負載都有內(nèi)部前置穩(wěn)壓器，可將寬輸入電壓范圍(通常從 6V 到 16V)轉(zhuǎn)換為 5V、3.3V 或更低電壓。從全球系統(tǒng)角度來看，無論是電動汽車、混合動力汽車，還是插電式混合動力汽車，都有串聯(lián)穩(wěn)壓器冗余。一款從高壓到 12V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可為 12V 母線(效率高)穩(wěn)壓，而前置穩(wěn)壓器則可為每個負載提供合適的內(nèi)部電壓(圖 1)。
這種傳統(tǒng)架構(gòu)起源于汽車配備交流發(fā)電機的時代，交流發(fā)電機是一種敏感的 12V PDN，需要穩(wěn)壓才能為電池充電，在啟動事件中保持無線電工作，或讓車的白熾大燈保持適當(dāng)亮度。OEM 廠商非常有創(chuàng)意地繞過了 12V 電源限制，近年來設(shè)計了兩款 12V 電池，一款用于動力轉(zhuǎn)向的 24V 電池以及其間的幾款 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。
圖 1：xEV 使用的典型 E/E，采用使用冗余穩(wěn)壓器的 12V 電池。高壓至 12V 的 DC-DC 可為 12V 輸出穩(wěn)壓，為 12V 電池充電。車輛中的每個 12V 負載都有一個前置穩(wěn)壓器，以提供負載工作所需的適當(dāng)電壓。圖 1：這兩個機器人平臺的規(guī)模 大不相同，但它們的供電網(wǎng)絡(luò)卻有很多共同之處。模塊化方法有助于高度靈活地完成初始設(shè)計，通常能加速交付后續(xù)電源系統(tǒng)設(shè)計。
用虛擬電池替代 12V 電池
解決該問題的更好方法是完全重新考慮汽車 PDN：取消 12V 的物理電池，用電動汽車主電池中的 12V “虛擬”電池替代(圖 2)。每輛電動汽車都有一個主電池，因此搭載額外的儲能設(shè)備無意義。理想的車輛架構(gòu)是使用一款高壓電池為動力系統(tǒng)及所有輔助負載供電。Vicor 高密度母線轉(zhuǎn)換器模塊技術(shù)可實現(xiàn)這一方案，它將低壓電池(48 或 12V)直接從高壓電池(400 或 800V)虛擬化出來。
圖 2：優(yōu)化的 E/E 架構(gòu)可取消 12V 的物理電池。使用 Vicor BCM 母線轉(zhuǎn)換器技術(shù)轉(zhuǎn)化高壓電池，可創(chuàng)建虛擬 12V 電池。
Vicor BCM® 母線轉(zhuǎn)換器采用零電壓、零電流開關(guān)(ZVS/ZCS)技術(shù)，其工作頻率比常規(guī)轉(zhuǎn)換器高，因此其響應(yīng)速度比物理電池快。例如，BCM6135 與常規(guī) ZVS/ZCS 諧振轉(zhuǎn)換器不同，工作頻率為 1.2MHz，該 BCM 在窄帶頻率下工作(圖 3)。BCM 的高頻率工作可針對負載電流的變化以及從輸入到輸出的低阻抗路徑提供快速響應(yīng)。固定比率轉(zhuǎn)換、雙向工作、快速瞬態(tài)響應(yīng)(每秒超過 8MA)和低阻抗路徑相結(jié)合，可幫助 BCM 使高壓電池看起來像 48V 電池，我們將其稱為“變壓”。與常規(guī)轉(zhuǎn)換器相比，這種對電源進行變壓的功能既是重要優(yōu)勢，也是重要的差異化特性。
圖 3：BCM6135 的快速負載瞬態(tài)響應(yīng)是支持 12V 負載的關(guān)鍵。瞬態(tài)響應(yīng)為每秒 800 萬安培 (8MA/s)。黃色：輸入電壓 (800VDC)，紅色：輸出電壓 (48V)，藍色：輸出電流。
圖 4：BCM 母線轉(zhuǎn)換器的功能框圖。雖然 BCM 可進行 DC-DC 轉(zhuǎn)換，但它還可使用變壓器進行高效的 AC-AC 轉(zhuǎn)換，不僅可按 K 因數(shù)縮放大小，而且還可使用開關(guān)模塊在 AC 與 DC 之間進行轉(zhuǎn)換。開關(guān)在高頻率下完成，而且由于具有和變壓器一樣的能量傳輸特性，因此轉(zhuǎn)換不僅能對瞬態(tài)負載變化做出快速響應(yīng)，而且還可在輸入和輸出之間提供一個低阻抗路徑。
Vicor BCM 可用作固定比率轉(zhuǎn)換器，其中輸出電壓是輸入電壓的一個固定比值。Vicor BCM6135 轉(zhuǎn)換器為隔離式，采用 61 x 35 x 7 毫米封裝提供 2.5kW 的電源，峰值效率超過 97%。它可輕松并聯(lián)在陣列中，提供更大功率。
該 BCM 的固定比率屬性可確保虛擬電池保持在其適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶鷥?nèi)。例如，在 800V 電池供電的電動汽車中，可確保高壓電池在 520 至 920V 之間。比率為 1/16 的 BCM6135 可為 48V 電池實現(xiàn)虛擬化，確保電壓范圍在 32.5 和 57.5V 之間。BCM6135 1/8 的比率可用于 400V 電動汽車(圖 3)。
電池虛擬化還可使用 1/4 固定比率轉(zhuǎn)換器擴展至 12V 母線。這種情況不需要電流隔離，可以使用 Vicor NBM™ 母線轉(zhuǎn)換器。與 BCM 的其它特性相同，NBM 非隔離母線轉(zhuǎn)換器具有上述所有優(yōu)勢：快速瞬態(tài)響應(yīng)、低阻抗和雙向工作。12V 母線上的電壓范圍保持在 8.125V 與 14.375V 之間，與高壓電池電壓的比率是固定的。BCM 和 NBM 技術(shù)是連接汽車各供電網(wǎng)絡(luò)的理想變壓器。
表 1：采用 Vicor BCM/NBM 母線轉(zhuǎn)換器技術(shù)的 48V 母線和 12V 母線上的最小電壓和最大電壓。48V 和 12V 電壓范圍均符合 VDA 320 和 LV 124 標(biāo)準(zhǔn)。
圖 5：基于 BCM6135 和 NBM2317 模塊的 12V 及 48V 電池虛擬化 E/E 架構(gòu)。48V 母線還可作為一個更高效電源，為車輛中的更高負載供電，如空調(diào)冷凝器、水泵和主動底盤穩(wěn)定系統(tǒng)等。
確保功能安全負載的供電冗余至關(guān)重要。Vicor 電源模塊在電源與傳輸方面完全可擴展，因此可將其設(shè)計成冗余 PDN，從而可通過兩條專用電源轉(zhuǎn)換路徑實現(xiàn)為功能安全至關(guān)重要的負載供電。最終，OEM 廠商可實施本地化能量存儲，確保 ADAS、轉(zhuǎn)向和剎車等重要系統(tǒng)的功能安全運行。
電動汽車供電網(wǎng)絡(luò)將何去何從
12V 鉛酸電池將很快退出歐洲市場。鑒于所有的創(chuàng)新都推動了電動汽車供電網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計，這個時機非常合適。
汽車電氣 PDN 正處于 12V 供電的十字路口。試圖保持最少的架構(gòu)變化的同時，越來越多的嚴格電源負載應(yīng)用于車輛。特斯拉首席執(zhí)行官 Elon Musk 表示：“我們?yōu)槭裁催€要用 12V 電壓?12V 只是殘留的電壓，的確太低了。”
OEM 廠商正在爭先恐后地設(shè)計更好的 PDN，為電動汽車提供更大的里程和更高的性能。完全取消 12V 電池明顯是一個長期解決方案，不僅可減少重量和空間，而且還能提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)及系統(tǒng)性能。Vicor 技術(shù)不僅可實現(xiàn)這些優(yōu)勢，而且還可提供無與倫比的靈活性、可擴展性和功率密度。Vicor 的 PDN 模塊方案為解決新一代 xEV 的 12V 供電網(wǎng)絡(luò)的近期挑戰(zhàn)提供理想的構(gòu)建模塊。
Nicolas Richard
Vicor 歐洲汽車業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)
在加入 Vicor 之前，Nicolas 在 IDT(瑞薩電子)擔(dān)任北美汽車業(yè)務(wù)部負責(zé)人，主要從事動力系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)與 ADAS 系統(tǒng)的技術(shù)銷售。在加入 IDT 之前，他曾在安森美擔(dān)任過 4 年的現(xiàn)場應(yīng)用工程師，領(lǐng)導(dǎo)一個內(nèi)部設(shè)計及應(yīng)用團隊(是一支“從概念到產(chǎn)品冠軍”團隊)，負責(zé)安森美在密歇根州底特律的汽車銷售新產(chǎn)品增長戰(zhàn)略。他的工作經(jīng)歷還包括在大陸汽車公司的 9 年工程與開發(fā)工作，在此期間，他曾在大陸汽車混合動力與電動汽車部門擔(dān)任各種工程設(shè)計職務(wù)，主要設(shè)計 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。
