【導(dǎo)讀】汽車，卡車，公共汽車和摩托車廠商正在迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎饣?，以提高?nèi)燃機的燃油效率并減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但是大多數(shù)制造商都選擇48伏輕度混合動力系統(tǒng)，而不是全混合動力總成。在輕度混合動力系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的12V電池外，還增加了48伏電池。
汽車，卡車，公共汽車和摩托車廠商正在迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎饣?，以提高?nèi)燃機的燃油效率并減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但是大多數(shù)制造商都選擇48伏輕度混合動力系統(tǒng)，而不是全混合動力總成。在輕度混合動力系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的12V電池外，還增加了48伏電池。
這樣可將功率容量提高4倍（P = V•I），可用于較重的負載，例如啟動時的空調(diào)和催化轉(zhuǎn)化器。為了提高車輛性能，該48V系統(tǒng)可以為混合動力發(fā)動機提供動力，該混合動力發(fā)動機可實現(xiàn)更快、更平穩(wěn)的加速，同時節(jié)省燃料。額外的動力還可以支持轉(zhuǎn)向、制動和懸架系統(tǒng)，以及新的安全性、娛樂性和舒適性功能。
一旦設(shè)計完成，引入48伏輕混動力系統(tǒng)具有巨大的上升空間。克服一直以來的12V輸電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的可能是最大的挑戰(zhàn)。功率傳輸?shù)淖兓ǔＰ枰枰獜V泛測試的新技術(shù)，并且可能需要能夠提供汽車行業(yè)高安全性和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的新供應(yīng)商。
但是，隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)轉(zhuǎn)向48V輸電網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)勢遠遠超過了轉(zhuǎn)換成本。對于汽車行業(yè)而言，48V輕型混合動力系統(tǒng)提供了一種方法，可以快速引入排放量更低，續(xù)航里程更長，油耗更高的新型汽車中。它還提供了令人興奮的新設(shè)計選項，以實現(xiàn)更高的性能和功能，同時仍減少二氧化碳排放量。
如何最大化48V輸電網(wǎng)絡(luò)
添加48V電池為較重的動力總成和底盤系統(tǒng)負載供電?，F(xiàn)在，可以選擇添加一些系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以直接處理48V輸入，或保留傳統(tǒng)的12V機電負載（如泵類，風(fēng)扇和電動機），通過DC-DC轉(zhuǎn)換器將48V轉(zhuǎn)換為12V。為了管理變化和風(fēng)險，現(xiàn)有的輕度混合動力輸電系統(tǒng)正在緩慢增加48V負載，但仍使用大型集中式48V至12V轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將車輛周圍的12V饋入負載。但是，這種集中式架構(gòu)沒有充分利用48V輸電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，也沒有利用可用的高級轉(zhuǎn)換器拓撲，控制系統(tǒng)和封裝的優(yōu)勢。
圖1傳統(tǒng)的12V集中式架構(gòu)
圖2 48V分布式架構(gòu)
這些集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器（圖1）絕大多數(shù)都是笨重的，因為它們使用了較舊的低頻PWM開關(guān)拓撲。對于許多關(guān)鍵的動力總成系統(tǒng)，它們也代表了單點故障。
要考慮的另一種架構(gòu)是帶有模塊化電源組件的分散式電源交付（圖2）。這種電源傳輸架構(gòu)使用較小的，低功耗的48至12V轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器分布在整車中接近12V負載的位置。通過簡單的功率方程P = V•I和PLOSS = I2R就可以解釋為什么48V比12V更有效。
對于給定的功率水平，在48V時電流比12V系統(tǒng)低四倍，損耗（I2R）低16倍。電流只為之前的1/4，因此電纜和連接器可以更小，更輕，更便宜。分散式電源架構(gòu)還具有顯著的熱管理和電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢（圖4）。這是在車輛周圍分配功率的另一種方式。
圖3標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率為94％
圖4 Vicor DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率為98％
分布式架構(gòu)的模塊化組件優(yōu)勢
分布式電力輸送的模塊化方法（圖5）具有高度的可擴展性。
圖5混合動力汽車的模塊化方法
電池的48V輸出分配給車輛中的各種高功率負載，從而最大限度地利用了較低電流（4x）和較低損耗（16x）的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)了體積更小，重量更輕的輸電網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)對各種分布式負載的功率分析，可以設(shè)計一個模塊并通過適當(dāng)?shù)墓β柿６?，并支持并行陣列的擴展。
在此示例中，展示了一個2kW的模塊。如前所述，粒度和可伸縮性取決于系統(tǒng)。通過使用分布式模塊而不是大型的集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器，N + 1冗余也可以以更低的成本實現(xiàn)。如果負載功率在車輛開發(fā)階段發(fā)生變化時，也具有靈活性，工程師無需添加或修改定制電源，而只是通過添加或刪除模塊即可。另一個設(shè)計優(yōu)勢是減少了開發(fā)時間，因為該模塊已經(jīng)獲得批準(zhǔn)和認證。
在高壓電池系統(tǒng)中實施分布式模塊化48V架構(gòu)
圖6電動汽車的模塊化方法
對于純電動汽車或高性能混合動力汽車，由于動力總成和底盤系統(tǒng)的高功率需求，因此使用了高壓電池。48V SELV 輸電網(wǎng)絡(luò)對于OEM們?nèi)匀痪哂酗@著優(yōu)勢，但是現(xiàn)在，電源系統(tǒng)設(shè)計人員還面臨著高壓800V或400V到48V轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)。
這種大功率DC-DC轉(zhuǎn)換器也需要隔離，但不需要調(diào)節(jié)。通過使用穩(wěn)壓PoL轉(zhuǎn)換器，高功率轉(zhuǎn)換器可以使用固定比率拓撲。由于分別針對800V/48V和400V/48V的16：1或8：1的寬輸入到輸出電壓范圍（圖6），這是非常有益的。在此范圍內(nèi)使用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器效率非常低，并且存在很大的熱管理問題。OEM經(jīng)常在電池組內(nèi)部尋找高效的降壓解決方案，并且在某些情況下能夠淘汰48V電池。Vicor的固定比例高壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)品以快速的壓擺率提供快速的電流輸出，使OEM廠商可以減輕12-14kg不必要的48V電池重量。
由于在分配400V或800V時的安全要求，將這種高壓隔離轉(zhuǎn)換器離散化將非常困難且成本很高。但是，可以使用電源模塊代替DC-DC轉(zhuǎn)換器銀盒來設(shè)計大功率集中式固定比率轉(zhuǎn)換器。
可以開發(fā)出粒度和可擴展性級別合適的電源模塊，然后輕松地將其并聯(lián)用于具有不同動力總成和底盤電氣化要求的一系列產(chǎn)品。Vicor固定比率總線轉(zhuǎn)換器（BCM）也是雙向的，它支持各種能量再生方案。由于采用了正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）的高頻軟開關(guān)拓撲，BCM的效率超過98％。它們還具有2.6kW / in3的功率密度，從而大大減小了集中式高壓轉(zhuǎn)換器的尺寸。
Vicor是汽車市場的供應(yīng)商，提供先進和創(chuàng)新的模塊化電源解決方案。這種用于汽車電源系統(tǒng)的方法簡化了電源交付，提高了性能，生產(chǎn)率和上市時間。作為高電壓（例如48V，400V 800V）電源轉(zhuǎn)換的領(lǐng)導(dǎo)者，Vicor不斷創(chuàng)新電源傳輸架構(gòu)，電源轉(zhuǎn)換拓撲，控制系統(tǒng)和封裝。
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