重新定義汽車(chē)供電網(wǎng)絡(luò)：節(jié)省重量和成本的絕好機(jī)會(huì)

最近的幾份行業(yè)報(bào)告證實(shí)，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)采用率的增長(zhǎng)是一個(gè)確定而明顯的趨勢(shì)。雖然新冠疫情曾使全球汽車(chē)銷售暫停，但也使消費(fèi)者有更多時(shí)間去思考他們?cè)诟鼡Q車(chē)輛時(shí)的選擇，而且似乎許多人正在考慮將電動(dòng)汽車(chē)作為可行的購(gòu)車(chē)選項(xiàng)。然而，也存在許多阻礙消費(fèi)者廣泛采用電動(dòng)汽車(chē)的潛在因素，最顯著的兩個(gè)是續(xù)航里程和充電時(shí)間。盡管如此，由于許多國(guó)家和地區(qū)政府正在實(shí)施一些改進(jìn)舉措，電動(dòng)汽車(chē)制造商也給與一些特別的優(yōu)惠，未來(lái)幾年電動(dòng)汽車(chē)的銷量將會(huì)大幅增長(zhǎng)。

從汽車(chē)制造商的角度來(lái)看，仍有許多技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。電動(dòng)汽車(chē)的最初開(kāi)發(fā)是要為早期市場(chǎng)采用者的現(xiàn)有品牌車(chē)型增加電動(dòng)汽車(chē)替代產(chǎn)品。然而，該市場(chǎng)領(lǐng)域持續(xù)和顯著的增長(zhǎng)將需要在許多不同的技術(shù)層面推進(jìn)。

例如，電池設(shè)計(jì)正在新化學(xué)物質(zhì)和構(gòu)造方法等層面經(jīng)歷重大創(chuàng)新。盡管這些發(fā)展仍處于起步階段，但已經(jīng)取得了可喜的成果。部署方便且易于使用的電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施也需要大量投資。續(xù)航里程和充電時(shí)間以及價(jià)格仍然是消費(fèi)者最關(guān)心的問(wèn)題，但影響這些的一個(gè)關(guān)鍵因素是車(chē)輛本身重量。

當(dāng)今的電動(dòng)汽車(chē)仍然使用 12V 電池為非牽引相關(guān)功能供電，例如擋風(fēng)玻璃雨刷器、座椅舒適控制和信息娛樂(lè)系統(tǒng)都采用12V系統(tǒng)。一些制造商目前正在新車(chē)型中用 48V 電池替換 12V 電池。

原有的低電壓設(shè)計(jì)

如今所有新車(chē)都配備了無(wú)數(shù)基于電子產(chǎn)品的功能，這與哈德遜汽車(chē)公司(Hudson Motor Company)于 1918 年引入標(biāo)準(zhǔn)化電池概念時(shí)相去甚遠(yuǎn)。當(dāng)下時(shí)尚的觸摸控制信息娛樂(lè)系統(tǒng)通常包含收音機(jī)、媒體播放器、 GNSS 導(dǎo)航系統(tǒng)、智能手機(jī)集成以及車(chē)輛狀態(tài)和系統(tǒng)配置菜單等功能。此外，車(chē)內(nèi)乘客可以通過(guò)智能手機(jī)、大容量 SD 卡或在線服務(wù)播放音樂(lè)。高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 則結(jié)合使用雷達(dá)、激光雷達(dá)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)全面的輔助駕駛，可提供自適應(yīng)巡航控制 (ACC)、盲點(diǎn)檢測(cè)和緊急制動(dòng)等功能。汽車(chē)技術(shù)的進(jìn)步令人印象深刻，但它們都繼承了過(guò)去的原有技術(shù)，其中包括用于供電的傳統(tǒng) 12V 電池。

對(duì)于配備 400V 或 800V 電池組的電動(dòng)汽車(chē)，采用附加的電池和相關(guān)的電源管理電子設(shè)備來(lái)為上述系統(tǒng)供電會(huì)產(chǎn)生一些不必要的材料成本。圖 1 表明，與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)變得多么復(fù)雜。

在過(guò)去，制造商一般是將各個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)功能配置在獨(dú)立的電子控制單元 (ECU) 中，每個(gè)單元均由 12V 電源供電，這種用于電源管理和轉(zhuǎn)換的分布式方法會(huì)導(dǎo)致高材料清單(BOM)成本。當(dāng)然，BOM 成本并不是唯一需要考慮的因素，因?yàn)? 12V主電池和所有電源組件的重量都是重要的有效載荷。例如，12V 啟動(dòng)電池的平均重量為 20 公斤，再加上其它的功率轉(zhuǎn)換組件，整體重量會(huì)迅速增加。

從另一個(gè)角度來(lái)看，就DC/DC 功率轉(zhuǎn)換角度而言，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)需要50kW和更高的功率轉(zhuǎn)換和管理，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)功率轉(zhuǎn)換和管理卻低于3kW。因此，以最小的空間和最輕的重量實(shí)現(xiàn)可靠高效的電源轉(zhuǎn)換變得至關(guān)重要。 電動(dòng)汽車(chē)電源架構(gòu)需要支持驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)、車(chē)載和基礎(chǔ)設(shè)施充電以及采用原有技術(shù)的傳統(tǒng)系統(tǒng)。

圖 1：內(nèi)燃機(jī)、混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)采用的動(dòng)力架構(gòu)比較。(來(lái)源：Vicor)

汽車(chē)供電架構(gòu)：不同的方法

Vicor 提出的解決電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)的一種可行方法是采用虛擬 12V(或 24V/48V)電池，參見(jiàn)圖 2。與其依賴單獨(dú)的 12V 電池，何不創(chuàng)建一個(gè)直接來(lái)自車(chē)輛主400V 或 800V 電池組的虛擬電池?通過(guò)這種方法，制造商可以減輕車(chē)體重量，同時(shí)降低相關(guān)的工程、供應(yīng)鏈和庫(kù)存成本。

圖 2：采用12V 和 48V虛擬電池實(shí)施電動(dòng)汽車(chē)電源架構(gòu)。(來(lái)源： Vicor)

通過(guò)將高密度高壓(HV)到低壓(LV)轉(zhuǎn)換模塊整合到現(xiàn)有子系統(tǒng)，Vicor的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的集成度，并降低 BoM 成本，這也是 OEM 希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

Vicor 解決方案?jìng)?cè)重于圖 2 所示的輸電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的三個(gè)方面;充電、轉(zhuǎn)換和配送。

電動(dòng)汽車(chē)充電：電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)正在逐漸采用 800V 電池組的工作電壓，但目前市場(chǎng)部署的大部分電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施都是基于最初的 400V 標(biāo)準(zhǔn)。因此，所有新的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型都需要能夠適應(yīng)這兩種電壓水平。高效且簡(jiǎn)捷的雙向轉(zhuǎn)換模塊已經(jīng)面市，可為電池到充電站之間的兼容性提供極其高靈活性、高能效和高密度的可擴(kuò)展解決方案。

電源轉(zhuǎn)換：使用符合汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高密度 DC/DC 模塊對(duì)電動(dòng)汽車(chē)主高壓電池進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換可為汽車(chē)制造商提供可觀的重量和空間節(jié)省。同樣，雙向電源轉(zhuǎn)換功能也可提供供電架構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性，能夠不再需要對(duì) 48V 中間能量存儲(chǔ)能力的需求，由于其中使用了自高壓主電池供電的虛擬 48V 電池，進(jìn)一步降低了車(chē)體重量和系統(tǒng)所占用空間。

虛擬電力配送：在較新的車(chē)輛中，48V應(yīng)用包括全新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)等大功率系統(tǒng)，要滿足這些網(wǎng)絡(luò)的供電需求，同時(shí)支持具有更高功率要求的傳統(tǒng) 12V 負(fù)載(見(jiàn)圖 3)，需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Vicor 能夠提供比傳統(tǒng)解決方案體積更小、重量更輕的緊湊型高密度模塊解決方案。

圖 3：通過(guò)車(chē)輛高壓主電池的虛擬電源架構(gòu)來(lái)支持傳統(tǒng)的12V 應(yīng)用。(來(lái)源：Vicor)

重新定義汽車(chē)供電架構(gòu)

汽車(chē)原始設(shè)備制造商在提高車(chē)輛性能和功能的同時(shí)，也在努力降低二氧化碳排放量，事實(shí)證明電動(dòng)汽車(chē)是最佳選擇。然而，同樣也是事實(shí)證明，盡量降低電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)體重量以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的續(xù)航里程是一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)，而重新定義車(chē)輛供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則可以降低車(chē)體重量和系統(tǒng)成本。