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      如何通過模塊化方法解決汽車48V電源架構的電氣化?

      發布時間:2021-05-10 責任編輯:lina

      【導讀】汽車,卡車,公共汽車和摩托車廠商正在迅速轉變為電氣化,以提高內燃機的燃油效率并減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多,但是大多數制造商都選擇48伏輕度混合動力系統,而不是全混合動力總成。在輕度混合動力系統中,除了傳統的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變為電氣化,以提高內燃機的燃油效率并減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多,但是大多數制造商都選擇48伏輕度混合動力系統,而不是全混合動力總成。在輕度混合動力系統中,除了傳統的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,該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,以及新的安全性、娛樂性和舒適性功能。
       
      一旦設計完成,引入48伏輕混動力系統具有巨大的上升空間??朔恢币詠淼?2V輸電網絡(PDN)的可能是最大的挑戰。功率傳輸的變化通常需要需要廣泛測試的新技術,并且可能需要能夠提供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輸電網絡,其優勢遠遠超過了轉換成本。對于汽車行業而言,48V輕型混合動力系統提供了一種方法,可以快速引入排放量更低,續航里程更長,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。
       
      如何最大化48V輸電網絡
       
      添加48V電池為較重的動力總成和底盤系統負載供電?,F在,可以選擇添加一些系統,這些系統可以直接處理48V輸入,或保留傳統的12V機電負載(如泵類,風扇和電動機),通過DC-DC轉換器將48V轉換為12V。為了管理變化和風險,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48V至12V轉換器,該轉換器將車輛周圍的12V饋入負載。但是,這種集中式架構沒有充分利用48V輸電網絡的優勢,也沒有利用可用的高級轉換器拓撲,控制系統和封裝的優勢。
       
      圖1傳統的12V集中式架構
       
      如何通過模塊化方法解決汽車48V電源架構的電氣化?
       
      圖2 48V分布式架構
       
      如何通過模塊化方法解決汽車48V電源架構的電氣化?
       
      這些集中式DC-DC轉換器(圖1)絕大多數都是笨重的,因為它們使用了較舊的低頻PWM開關拓撲。對于許多關鍵的動力總成系統,它們也代表了單點故障。
       
      要考慮的另一種架構是帶有模塊化電源組件的分散式電源交付(圖2)。這種電源傳輸架構使用較小的,低功耗的48至12V轉換器,這些轉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。分散式電源架構還具有顯著的熱管理和電源系統冗余優勢(圖4)。這是在車輛周圍分配功率的另一種方式。
       
      圖3標準DC-DC轉換器的效率為94%
       
      如何通過模塊化方法解決汽車48V電源架構的電氣化?
       
      圖4 Vicor DC-DC轉換器的效率為98%
       
      如何通過模塊化方法解決汽車48V電源架構的電氣化?
       
      分布式架構的模塊化組件優勢
       
      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
       
      如何通過模塊化方法解決汽車48V電源架構的電氣化?
       
      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)的優勢,從而實現了體積更小,重量更輕的輸電網絡。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,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。通過使用分布式模塊而不是大型的集中式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。
       
      在高壓電池系統中實施分布式模塊化48V架構
       
      圖6電動汽車的模塊化方法
       
      如何通過模塊化方法解決汽車48V電源架構的電氣化?
       
      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 輸電網絡對于OEM們仍然具有顯著優勢,但是現在,電源系統設計人員還面臨著高壓800V或400V到48V轉換的挑戰。
       
      這種大功率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,高功率轉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的固定比例高壓轉換產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轉換器銀盒來設計大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產品。Vicor固定比率總線轉換器(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 / in3的功率密度,從而大大減小了集中式高壓轉換器的尺寸。
       
      Vicor是汽車市場的供應商,提供先進和創新的模塊化電源解決方案。這種用于汽車電源系統的方法簡化了電源交付,提高了性能,生產率和上市時間。作為高電壓(例如48V,400V 800V)電源轉換的領導者,Vicor不斷創新電源傳輸架構,電源轉換拓撲,控制系統和封裝。
       
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