本文作者：Patrick Wadden是Vicor汽車業務全球副總裁，Nicolas Richard是Vicor汽車業務總監
汽車，卡車，公共汽車和摩托車的制造商正在迅速為其車輛增加電氣化內容，以提高內燃機的燃油效率并減少CO2排放。電氣化選擇很多，但是大多數制造商都選擇48V輕度混合動力系統，而不是完整的混合動力總成。在輕度混合動力系統中，除了傳統的12V蓄電池外，還增加了48V蓄電池。
這樣可將功率容量提高四倍，可用于較重的負載，例如空調和催化轉化器。為了提高車輛性能，該48V系統可以為混合動力發動機提供動力，混合動力發動機可實現更快，更平穩的加速，同時節省燃料。額外的動力還可以支持轉向、制動和懸架系統，以及新的安全，娛樂和舒適性等功能。
圖1：傳統的12V集中式架構（左）和48V分散式架構（右）。
引入48V混合動力系統具有巨大的進步空間。克服對修改長期存在的12V輸電網絡（PDN）可能是最大的挑戰。電源變化通常需要廣泛測試新技術，同時需要能夠滿足汽車行業高安全性和質量標準的新供應商。
但是，隨著數據中心行業轉向48V PDN，其優勢遠遠超過了轉換成本。對于汽車行業而言，48V混合動力系統提供了一種全新方法來快速引入排放量更低、續航里程更長且油耗更低的新型汽車。它還提供了令人興奮的新設計選項，以實現更高的性能和功能，同時仍減少二氧化碳排放量。
最大化PDN
添加48V電池為較重的動力總成和底盤系統負載供電，為工程師提供了選擇。現在，可以選擇添加一些系統，這些系統可以直接處理48V輸入，或者通過穩壓DC / DC轉換器將48V轉換為12V，從而保留傳統的12V機電負載（如泵，風扇和電動機）。為了應對變化和風險，現有的輕度混合動力輸電系統正在緩慢增加48V負載，但仍使用大型集中式高功率48V至12V轉換器，該轉換器負責饋入12V負載。但是，這種集中式架構并沒有充分利用48V PDN的優勢，也沒有利用現有的高級轉換器拓撲、控制系統和封裝的優勢。
圖2：標準DC / DC轉換器（左）的效率為94％，Vicor DC / DC轉換器（右）的效率為98％。
這些集中式DC/DC轉換器絕大多數都是笨重的，因為它們使用了較舊的低頻脈沖寬度調制（PWM）開關拓撲。對于許多關鍵的動力總成系統，它們容易發生單點故障。
另一種體系結構則是采用模塊化電源組件的分散式電源。這種電源傳輸架構使用較小的，低功耗的48至12V轉換器，在接近12V負載的整個車輛的近負載點中分布。
根據電壓越高，電流越小，導線損失就越小可知，對于給定的功率水平，在48V時的電流是12V系統中電流的1/4，損耗（I2R）低16倍。在電流的1/4時，電纜和連接器可以更小，更輕，更便宜。分散式電源架構還具有顯著的熱管理和電源系統冗余優勢（圖2）。這是在整個車輛中散布kW級功率的另一種方式，而不需傳統DC / DC轉換器的重量、散熱和體積。
可擴展模塊
分散式電力輸送的模塊化方法（圖3）具有高度的可擴展性。
圖3：混合動力汽車的模塊化方法。
電池的48V輸出分配到車輛的各種高功率負載上，從而最大限度地發揮了較低電流（4x）和較低損耗（16x）的優勢，從而使PDN的體積更小，重量更輕。根據對各種分布式負載的功率分析，可以設計一個模塊并通過適當的功率粒度驗證，并可在并行陣列中使用，從而擴展系統的功率等級。
在此示例中，顯示了一個2kW的模塊，粒度和可伸縮性取決于系統。通過使用分布式模塊代替大型集中式DC / DC轉換器，N + 1冗余也可以以更低的成本實現。如果負載功率在車輛開發階段發生改變，則該方法同樣更為方便。工程師無需添加或修改接地的定制電源，而是可以通過添加或刪除模塊進行縮放。另一個設計優勢是減少了開發時間，因為該模塊已經獲得批準和認證。
圖4顯示了全電動汽車中的模塊化應用領域。
圖4：全電動汽車中分散式48V架構的模塊化應用。
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的高功率需求，因此使用了高壓電池。48V SELV PDN對于OEM仍然具有顯著優勢，但是現在，電源系統設計人員還面臨著大電壓800V或400V轉換至48V的挑戰。
這種高功率DC / DC轉換器也需要隔離但不需要調節。通過使用穩壓PoL轉換器，高功率上游轉換器可以使用固定比率拓撲。由于分別針對800/48和400/48的16：1或8：1寬的輸入至輸出電壓范圍，這非常有利。
在此范圍內使用穩壓轉換器效率非常低，并且存在很大的熱管理問題。OEM經常在電池組內部找到這種高效的降壓解決方案，并且在某些情況下希望能夠淘汰電池。Vicor的固定比例高壓轉換產品以快速的壓擺率提供快速的電流輸出，使汽車OEM可以減輕12至14kg不必要的48V電池。
由于在分配400V或800V時的安全要求，分離這種高壓隔離的轉換器將非常困難且成本很高。但是，可以使用電源模塊替代笨重的銀盒電源DC / DC轉換器來設計高功率集中式固定比率轉換器。
可以開發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用于具有不同動力總成和底盤電氣化要求的一系列車輛。 Vicor固定比率總線轉換器（BCM）也是雙向的，支持各種能源再生方案。由于正弦振幅轉換器（SAC）的高頻，軟開關拓撲，BCM的效率超過98％。它們還具有2.6kW每平方英寸的功率密度，從而大大減小了集中式高壓轉換器的尺寸。
汽車電源系統的模塊化方法簡化了復雜的電源交付挑戰，提高了性能，生產效率和上市時間。 |
