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

最近的幾份行業(yè)報告證實，電動汽車市場采用率的增長是一個確定而明顯的趨勢。雖然新冠疫情曾使全球汽車銷售暫停，但也使消費者有更多時間去思考他們在更換車輛時的選擇，而且似乎許多人正在考慮將電動汽車作為可行的購車選項。然而，也存在許多阻礙消費者廣泛采用電動汽車的潛在因素，最顯著的兩個是續(xù)航里程和充電時間。盡管如此，由于許多國家和地區(qū)政府正在實施一些改進舉措，電動汽車制造商也給與一些特別的優(yōu)惠，未來幾年電動汽車的銷量將會大幅增長。

從汽車制造商的角度來看，仍有許多技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。電動汽車的最初開發(fā)是要為早期市場采用者的現(xiàn)有品牌車型增加電動汽車替代產(chǎn)品。然而，該市場領(lǐng)域持續(xù)和顯著的增長將需要在許多不同的技術(shù)層面推進。

例如，電池設(shè)計正在新化學(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汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施也需要大量投資。續(xù)航里程和充電時間以及價格仍然是消費者最關(guān)心的問題，但影響這些的一個關(guān)鍵因素是車輛本身重量。

當(dāng)今的電動汽車仍然使用 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系統(tǒng)都采用12V系統(tǒng)。一些制造商目前正在新車型中用 48V 電池替換 12V 電池。

原有的低電壓設(shè)計

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

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

在過去，制造商一般是將各個單獨系統(tǒng)功能配置在獨立的電子控制單元 (ECU) 中，每個單元均由 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，因為 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，整體重量會迅速增加。

從另一個角度來看，就DC/DC 功率轉(zhuǎn)換角度而言，電動汽車動力傳動系統(tǒng)需要50kW和更高的功率轉(zhuǎn)換和管理，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車功率轉(zhuǎn)換和管理卻低于3kW。因此，以最小的空間和最輕的重量實現(xiàn)可靠高效的電源轉(zhuǎn)換變得至關(guān)重要。 電動汽車電源架構(gòu)需要支持驅(qū)動動力系統(tǒng)、車載和基礎(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、混合動力和純電動汽車采用的動力架構(gòu)比較。(來源：Vicor)

汽車供電架構(gòu)：不同的方法

Vicor 提出的解決電動汽車開發(fā)挑戰(zhàn)的一種可行方法是采用虛擬 12V(或 24V/48V)電池，參見圖 2。與其依賴單獨的 12V 電池，何不創(chuàng)建一個直接來自車輛主400V 或 800V 電池組的虛擬電池?通過這種方法，制造商可以減輕車體重量，同時降低相關(guān)的工程、供應(yīng)鏈和庫存成本。

圖 2：采用12V 和 48V虛擬電池實施電動汽車電源架構(gòu)。(來源： Vicor)

通過將高密度高壓(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 希望實現(xiàn)的目標(biāo)。

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

電動汽車充電：電動汽車行業(yè)正在逐漸采用 800V 電池組的工作電壓，但目前市場部署的大部分電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施都是基于最初的 400V 標(biāo)準(zhǔn)。因此，所有新的電動汽車車型都需要能夠適應(yīng)這兩種電壓水平。高效且簡捷的雙向轉(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展解決方案。

電源轉(zhuǎn)換：使用符合汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高密度 DC/DC 模塊對電動汽車主高壓電池進行功率轉(zhuǎn)換可為汽車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)計的靈活性，能夠不再需要對 48V 中間能量存儲能力的需求，由于其中使用了自高壓主電池供電的虛擬 48V 電池，進一步降低了車體重量和系統(tǒng)所占用空間。

虛擬電力配送：在較新的車輛中，48V應(yīng)用包括全新驅(qū)動、轉(zhuǎn)向和線控制動等大功率系統(tǒng)，要滿足這些網(wǎng)絡(luò)的供電需求，同時支持具有更高功率要求的傳統(tǒng) 12V 負(fù)載(見圖 3)，需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)設(shè)計。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：通過車輛高壓主電池的虛擬電源架構(gòu)來支持傳統(tǒng)的12V 應(yīng)用。(來源：Vicor)

重新定義汽車供電架構(gòu)

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