功率模組為未知的電動汽車電源挑戰提供了全新可能

作者：Greg Green，汽車客戶項目總監

汽車電氣化發展正在推動當前汽車電力設計架構的變革。 這既新增了汽車運行所需的電力，也影響了設計人員為各種車載系統供電的方法。 全球範圍內的工程師正竭力解决里程有限以及充電站不足的問題。 經濟上有很多懸而未決的問題。 這可能是工程師面臨過的最重要的電源挑戰。

例如，純電動汽車（BEV）和插電式混合動力汽車（PHEV）的動力系統使用高壓電池（800V 或 400V），該高壓電池還必須在 48V 及 12V 下為汽車配件供電。 降低這些負載所需的 DC-DC 轉換器一般都很笨重。 但可通過結合基於 Vicor 正弦振幅轉換（SAC™)電源拓撲的轉換器來緩解這一問題。SAC 可幫助設計人員將 DC-DC 轉換器重量銳減50%，將封裝體積銳減 60%，從而可提供傳統電源方案所無法比擬且具備改變遊戲規則的優勢。

純電動汽車的耗電量是傳統燃油汽車的 20 倍

汽車的電氣化是用電網發電取代車載發電，這些能量儲存在高壓電池中。 除了這一變革，諸如電動轉向和電動懸架、ADAS 和資訊娛樂系統等大量控制系統和子系統的轉換，也為電源系統工程師帶來了新的挑戰。 與內燃機（ICE）相比，電動汽車的電源需求提高了 20 倍。 當前的純電動汽車需要 100kW 以上的電源，配件的電源需求至少占這一總需求的 4kW。 相比之下，ICE 只需要 2.5 至 4.5kW 的總電源。 這一指數級增長給工程師造成了巨大的障礙。

工程師面臨的另一項重大變革是，電力來源不再是通過 ICE 發電的、持續運行的 12V 交流發電機，而是使用電池中儲存且有限的 400V 或 800V 電源。 許多配件都在 12V 電壓下進行了成本和效能優化，因此需要在車輛中保留 12V 電源。 因而，電源系統工程師需要一個將高壓電池電源轉換為 48V 或 12V 的架構，才能滿足各種車輛子系統的需求。 理想的系統將最大限度提升功率密度，以減輕重量並縮小組織體積。

SAC 支持更輕、更小的電源轉換

創建高功率密度 DC-DC 轉換器的關鍵在於 SAC 拓撲的使用。SAC 工藝的基礎是零電壓/零電流開關，可實現固定比率電壓轉換。

為盡可能使轉換器更小，開關在 1300KHz 以上的頻率下完成，這允許使用更小的磁性材料和更短的路徑運轉。SAC 一方面的優勢是表現出每秒超過 8.6MA 的極快瞬態回應。

SAC DC-DC 轉換器已經在高效能運算領域使用了幾十年，可提供超過 15kW/kg 和 85kW/L 的功率密度。汽車電氣化也同樣離不開該技術。

如何構建小型化電動汽車供電網路

使用基於 SAC 的器件，不僅可縮小電源網路組件的尺寸，而且允許電源工程師採用大量不同的管道優化供電網路。 電池電壓可輕鬆轉換為 48V，並在負載點從 48V 網路降至 12V。 使用 Vicor 高壓 BCM® 母線轉換器，能輕鬆實現從主電池（400/800V）到 48V 的轉換。BCM 僅重58克，體積僅為 0.016 升，可提供 2.5kW 的 48V 電源。 48V 電源可使用高效 ZVS PRM™ 穩壓器穩壓，其重量僅為 40 克，體積為 0.01 升。

48V 穩壓電源可使用一款負載點 DCM™ DC-DC 穩壓器轉換為 12V；用於此處的 2kW 器件重量為 29 克，體積為 0.01 升。 使用 SAC 拓撲，只需 136 克的轉換器件，系統便可提供 2kW 的 12V 穩壓電源，這不僅可銳減高達 65% 的系統重量，而且還可節省多達 50% 的 DC-DC 轉換器封裝空間。

圖 5 顯示在應用中減輕這些重量並節省這些空間的方法。 本案例著眼於當前最普及的三種純電動汽車中的 400V 至 12V DC-DC 轉換器。

這些是現時可提供的最好系統，但由於使用了基於可用的最佳分立式組件集的標準設計，其功率密度很低。 這些均可通過使用 SAC 拓撲和 Vicor 電源模組顯著提升。

為了從 400V 電池電源提供 4kW 的 12V 穩壓電源，系統不僅需要使用 BCM® 提供隔離和 48V 饋電，而且還需要使用 DCM™ 降壓轉換至 12V 電源。 兩個 BCM6135 器件和兩個 DCM3735 器件組成的陣列可用於提供所需的 4kW 電源。 該晶片組重量僅 266g，功率密度為 15kW/kg，占位空間僅 0.046L，即體積功率密度為87kW/L。 為了在車輛中提供全面的功能，還需要一些額外的電路，其中包括高壓連接器、低壓連接器、散熱片、外殼、帶附加電路（反向極性、預充電、EMI 濾波器）的 PCB 以及用於 CAN 通訊的隔離器和連接器。

加上新增的系統部件，4kW DC-DC 轉換器的重量僅為 1.4kg，功率密度為 2.5kW/kg，體積只有 0.76L，因此體積功率密度為 5.22kW/L。

因此，與現時可提供最大體積密度的特斯拉 DC-DC 轉換器相比，Vicor 系統的體積功率密度提高了 6 倍，體積縮小了 58%。 據統計，每減輕 1 公斤重量，汽車的行駛里程就能新增 0.8 公里。 因此，Vicor 系統不僅可為其它組件騰出更多封裝空間，而且還可新增 1.0 公里的行駛里程。 此外，小型化 Vicor 系統的重量是福特野馬 Mach-E 系統的一半，但提供的有效功率密度提高了 1.7 倍。

所有車輛，無論是內燃機，還是全電動系統，都面臨著最大限度減輕車輛重量和優化車輛體積的挑戰。 使用基於 SAC 的科技來實現 DC-DC 電源轉換的小型化，為實現這些目標指明了道路。

汽车电气化发展正在挑戰對於工程師如何設計各种逐漸增大供電的车载系统。

Greg Green 現任 Vicor 公司汽車客戶項目總監。 他在汽車行業擁有超過 33 年的豐富經驗，涉及 OEM 廠商和一級供應商的製造、設計工程和產品線管理。 Greg 豐富的汽車產業經驗包括製造、產品開發和業務開發等。 Greg 先後畢業於密歇根大學和凱特林大學，分別獲航空航太工程學士學位和製造管理碩士學位。

Greg Green，汽車客戶項目總監