Nicolas Richard
Vicor 歐洲汽車業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)
沒錯(cuò)，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(xiàng)艱巨的任務(wù)，但它也可帶來巨大的機(jī)遇，不僅可消除對(duì)環(huán)境有害的電池，同時(shí)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?jǐn)?shù)百種負(fù)載，包括一些與安全密切相關(guān)的負(fù)載，因此，解決方案既要有創(chuàng)新性，而且還必須堅(jiān)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(duì)這一即將出現(xiàn)的挑戰(zhàn)提供具有最高靈活性及可擴(kuò)展性的解決方案。
在考慮潛在解決方案時(shí)，OEM 廠商必須考慮幾個(gè)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(gè)復(fù)雜方程式中的一些變量。
為該方程式求解有兩個(gè)主要選項(xiàng)。將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池是一個(gè)選項(xiàng)。雖然它確實(shí)可略微減輕重量，但也會(huì)保留 12V PDN 幾十年的傳統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生其它優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)選項(xiàng)是支持電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車/插電式混合動(dòng)力汽車中由 400V 或 800V 主電池供電的 12V PDN。后一種選項(xiàng)優(yōu)勢(shì)眾多，但這兩種選項(xiàng)都值得進(jìn)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(duì)成本影響很高。12V 鋰離子電池需要一個(gè)電池管理系統(tǒng) (BMS)來控制充電并在汽車的整個(gè)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(fù)載供電。但這不會(huì)增加任何優(yōu)勢(shì)。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(huì)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(hù)一款 12V 的物理電池，就意味著維護(hù)一個(gè)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(fù)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(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車，還是插電式混合動(dòng)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(gè)負(fù)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(jī)的時(shí)代，交流發(fā)電機(jī)是一種敏感的 12V PDN，需要穩(wěn)壓才能為電池充電，在啟動(dòng)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(jì)了兩款 12V 電池，一款用于動(dòng)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(gè) 12V 負(fù)載都有一個(gè)前置穩(wěn)壓器，以提供負(fù)載工作所需的適當(dāng)電壓。圖 1：這兩個(gè)機(jī)器人平臺(tái)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(jì)，通常能加速交付后續(xù)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
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(dòng)汽車主電池中的 12V “虛擬”電池替代(圖 2)。每輛電動(dòng)汽車都有一個(gè)主電池，因此搭載額外的儲(chǔ)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(dòng)力系統(tǒng)及所有輔助負(fù)載供電。Vicor 高密度母線轉(zhuǎn)換器模塊技術(shù)可實(shí)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(duì)負(fù)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(duì)電源進(jìn)行變壓的功能既是重要優(yōu)勢(shì)，也是重要的差異化特性。
圖 3：BCM6135 的快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是支持 12V 負(fù)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(lán)色：輸出電流。
圖 4：BCM 母線轉(zhuǎn)換器的功能框圖。雖然 BCM 可進(jìn)行 DC-DC 轉(zhuǎn)換，但它還可使用變壓器進(jìn)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(jìn)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(duì)瞬態(tài)負(fù)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(gè)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(gè)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(dòng)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(shí)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(dòng)汽車(圖 3)。
電池虛擬化還可使用 1/4 固定比率轉(zhuǎn)換器擴(kuò)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(shì)：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(gè)更高效電源，為車輛中的更高負(fù)載供電，如空調(diào)冷凝器、水泵和主動(dòng)底盤穩(wěn)定系統(tǒng)等。
確保功能安全負(fù)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(kuò)展，因此可將其設(shè)計(jì)成冗余 PDN，從而可通過兩條專用電源轉(zhuǎn)換路徑實(shí)現(xiàn)為功能安全至關(guān)重要的負(fù)載供電。最終，OEM 廠商可實(shí)施本地化能量存儲(chǔ)，確保 ADAS、轉(zhuǎn)向和剎車等重要系統(tǒng)的功能安全運(yùn)行。
電動(dòng)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(dòng)了電動(dòng)汽車供電網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計(jì)，這個(gè)時(shí)機(jī)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(shí)，越來越多的嚴(yán)格電源負(fù)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(jì)更好的 PDN，為電動(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)，而且還可提供無與倫比的靈活性、可擴(kuò)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(fù)責(zé)人，主要從事動(dòng)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(gè)內(nèi)部設(shè)計(jì)及應(yīng)用團(tuán)隊(duì)(是一支“從概念到產(chǎn)品冠軍”團(tuán)隊(duì))，負(fù)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(dòng)力與電動(dòng)汽車部門擔(dān)任各種工程設(shè)計(jì)職務(wù)，主要設(shè)計(jì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。
