電動汽車：48V 即為新 12V

電動汽車（電動出行）可能是近年來科技公司和消費者都必須面對的最重大挑戰之一。雖然人們越來越渴望找到能够徹底改變我們出行管道的環保系統，但也需要確保新環保技術具有盡可能最高的性價比。

汽車 OEM 廠商必須在提高汽車效能的同時，達到日益嚴苛的二氧化碳排放標準，才能保持競爭力。純電動汽車（EV）、混合動力電動車（HEV）和燃油汽車（ICE）的電氣化解决了這一重大挑戰。 為了滿足不斷增長的電源需求，新增了 48V、400V 和 800V 等更高電壓的電池這反過來又新增了供電架構的複雜性，並對尺寸和效率提出了新的要求。

輕度混合動力電動車（MHEV）系統是電氣化的門戶。此外，它們也被確定為輕型混合動力推進系統，將推動混合動力車型的指數級增長。MHEV 系統能够在制動時回收車輛能量，在車輛重啓時提供能量，因此可降低油耗和二氧化碳排放。

HEV 車型的第二種電氣化方案是讓電動機與內燃機一起工作，使車輛能够在純電動模式下行駛幾公里。另一種流行的替代方案是插電式混合動力電動車（PHEV），其電池可通過電網充電，零排放續航里程增至 50 公里左右。在這種情況下，隨著幾十款插電式混合動力車型上市，電氣化明顯高於 MHEV 技術和混合動力技術，購買成本也是。

純電動汽車（BEV）沒有內燃機，由逆變器和電動機的組合提供動力。純電動車可通過電網充電，也可在刹車過程中充電。在電動汽車中，我們還發現了增程電動車（EREV），配有一個小型內燃機，專門用作電流發生器，可在電量低時為電池充電。最後一類是燃料電池電動汽車（FCEV），由氫燃料電池驅動。

解決方案不僅包括固態電池或氫燃料電池等新能源存儲技術，而且可以通過新電力架構以及減輕重量來提高汽車效率。

當前的電氣化挑戰

“當前的電氣化挑戰如下：降低成本、實現積極的二氧化碳排放目標、管理電源需求的變化、為原有 12V 負載供電、交付更輕、效能更高的車輛、提高電源水准、更短的充電時間以及管理來自 800V 及 400V 電池系統的更高電壓。”Vicor 公司全球汽車業務開發副總裁 Patrick Wadden 指出。

轎車、卡車、公交車和機車的製造商都在快速為其車輛實現電氣化，以提高內燃機的燃油效率並减少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但大多數製造商都沒有選擇完全混合動力系統，而是選擇 48V 輕度混合動力系統。輕度混合動力系統除了有傳統 12V 電池之外，還新增了一款 48V 電池。

“車上有一個 800V 或 400V 的電池。Vicor 從電池中獲取 800V 或 400V 的電源並將其轉換為 48V，為電動渦輪、前擋風玻璃和冷卻泵等負載供電。由 800V 或 400V 電池供電的系統可選擇完全取消 48V 電池，創建一款虛擬 48V 電池。消除 48V 電池可為 OEM 廠商提供更高的功率密度，更輕的重量以及更小的尺寸，所有這 一切均可實現更大的行駛里程。這些解決方案具有可擴充性，因此適用於入門級豪華轎車。” Wadden 說道。

48V 技術高效分配電力

48V 技術可新增 4 倍的功率（P = V•I），用於較重負荷，如空調以及啟動時的催化轉換器等。為了提高汽車效能，48V 系統可為混合動力發動機供電，該發動機可用於更快、更平穩的加速，同時節省燃油。

“不再猶豫是否修改長期存在的成本優化型 12V 供電網路（PDN），可能是最大的挑戰。”Wadden 表示。他繼續道：“對於汽車產業而言，48V 輕度混合動力系統可提供一種快速推出排放更低、續航更遠、油耗更低的方式和實用的方法。此外，它還可為提高效能和功能並减少二氧化碳排放提供令人振奮的全新設計選項。

絕大多數的集中式 DC-DC 轉換器都很笨重，因為它們採用較早的低頻率開關 PWM 拓撲。需要考慮的最新架構是採用電源模組的分佈式供電（圖 4）。

“使用分佈式模型的優勢可以在系統層面上實現得更為明顯，因為可以减少全車佈線重量：將轉換器佈置在離負載最近的地方具有優勢，可以最大限度减少阻抗和電阻，，簡化一些散熱方法，在某些情况下，甚至可取消製冷板或液冷系統。通過更多選擇來實現功能安全的選項，離不開高靈活性。” Wadden 表示。

這種供電架構使用體積更小、功耗更低的 48V - 12V 轉換器。去中心化電源架構為供電系統提供了顯著的熱管理優勢。

“我們來看看中心化系統與去中心化系統的高層示意圖。左邊有一個傳統 3kW 銀盒，一般提供 400V 輸入至 12V 輸出，為汽車 12V 負載供電。右邊是一個展示如何將 48V 用於全車的示例：轉換器正好佈置在負載點上，去中心化模型取代大銀盒，根據需要在整個車上分散配電。這也允許實施支持冗餘供電的 ASIL FUSA。 隨著電源需求的新增，管理變得越來越困難，而且不能繼續新增這些老式傳統銀盒。” Wadden 說。

最新 48V PDN 必須支持電源要求更高的原有 12V 負載，以及使用電纜的最新大功率驅動、轉向及制動系統。與更大、更笨重的分立式解決方案相比，在負載數量不斷增加的情况下提供更多的 48V 電源，需要高密度模組。Vicor 提供幾款用於 48V 供電的模組。這些器件包括固定比率的穩壓轉換解決方案，可在升降壓模式下均支持 48V 及 12V 負載。這些轉換器可部署在單個外殼中，也可採用更小、更輕的 48V PDN 分佈在整個汽車中。

Vicor NBM 模組可使用於分佈式架構中，當 OEM 廠商需要將全車的電壓轉換級靠近負載部署，並將 48V 降壓至 12V 或將 12V 升壓至 48V。

在使用 400V 和 800V 充電站的情况下，車輛與充電站的相容性需要一個盡可能簡單但最重要是高效的轉換解決方案。NBM6123 採用 61 x 23mm CM-ChiP 封裝，可提供 6.4kW 的 400V 及 800V 固定比率轉換，從而可為不同汽車與充電站的相容實現可擴充、高效率、高密度的解決方案。Vicor 解決方案的雙向功能允許使用相同的模組執行升壓或降壓轉換。此外，NBM6123 還可在充電過程中為車輛供電，讓空調保持運行，從而可最大限度减少電池平衡電路。

總結

當前向汽車電氣化邁進的形式多種多樣，為其供電很複雜。一輛汽車有許多不同的系統，每個系統可能都有不同的電源要求。模組化電源方案本質上具有更高的靈活性和可擴充性，能够解决無數這類難題。Vicor 的高效能解決方案體積小、重量輕，旨在解决所有系統的電源轉換、充電及供電問題。