電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的汽車電池技術(shù)

今天的汽車電池必須做的不僅僅是啟動(dòng)汽車并在旅途中保持收音機(jī)開(kāi)啟。在過(guò)去 10 年中，汽車功能和電子產(chǎn)品所需的電量翻了一番，預(yù)計(jì)未來(lái)五年還會(huì)再次增加。12V 電池負(fù)責(zé)為從加熱座椅和娛樂(lè)系統(tǒng)到行人檢測(cè)系統(tǒng)等尖端安全功能的所有設(shè)備供電，并在旅途中維持汽車的電網(wǎng)。

電動(dòng)汽車需要驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的高壓 (HV) 電池和執(zhí)行基本卸載的改進(jìn)型 12V 電池。當(dāng) HV 系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，12V 電池用于安全地初始化 HV 電池并為車輛應(yīng)用供電。在行駛周期中，HV 電池為 12V 電池充電并維持負(fù)載。

讓我們與 Vicor 的 EMEA 汽車業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) 回答 一起探討這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)。

提問(wèn)：12V鉛酸電池的未來(lái)是什么?

回答：歐洲已經(jīng)下令在 2030 年之后不再有新車使用鉛酸電池，這給 OEM 尋找替代解決方案帶來(lái)了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

雖然這似乎是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但它也為消除對(duì)環(huán)境有毒的鉛酸電池提供了巨大的機(jī)會(huì)，同時(shí)還可以減輕車輛的重量并提高整體效率。它還可以降低制造商面臨的電池保修成本。

提問(wèn)：今天車輛中的 12V 電池的功能是什么?

回答：12V 電池最重要的作用是為需要大量電力的負(fù)載提供電力儲(chǔ)備。車輛中的典型負(fù)載將具有兩種類型的電流消耗：一種用于啟動(dòng)，特別是冷啟動(dòng)，另一種用于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。兩者都需要大量電流來(lái)為電容器充電或轉(zhuǎn)動(dòng)電樞，然后作為穩(wěn)態(tài)蓄能器下降。

提問(wèn)：如果取消 12V 電池，需要支持哪些技術(shù)考慮?

回答：轉(zhuǎn)換速率或瞬態(tài)響應(yīng)。用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器更換車輛中的 12V 電池可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電壓下降到足以關(guān)閉負(fù)載，從而導(dǎo)致車輛重新啟動(dòng)。汽車制造商通常需要 250 A/ms 的最快負(fù)載，而 12 V 電池可以達(dá)到 (75 A/30 μs)。

提問(wèn)：存在哪些替代 12V 電池技術(shù)?

理查德：用 12V 鋰離子電池替換 12V 鉛酸電池是一種選擇。雖然這略微減輕了重量，但它保留了 12V 配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的數(shù)十年歷史，產(chǎn)生的額外好處有限。另一種選擇是支持由電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車/插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的主 400-V 或 800-V 電池供電的 12-V PDN。

提問(wèn)：這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)是什么?

回答：只需將 12V 鉛酸電池更換為 12V 鋰離子電池即可節(jié)省大約 55% 的重量;但是，它對(duì)成本的影響很大。12V 鋰離子電池需要一個(gè)電池管理系統(tǒng)來(lái)控制充電并在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)保持電池的完整運(yùn)行。

此外，需要添加一個(gè)從 HV 到 12V 的笨重 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(具有電壓和電流調(diào)節(jié)功能)來(lái)為 12V 鋰離子 電池充電并為電氣負(fù)載供電。

然而，這增加了有限的好處。相反，它增加了重量、車輛封裝復(fù)雜性和系統(tǒng)成本，同時(shí)還降低了車輛的整體可靠性。

相比之下，取消 12V 電池總共減輕了 13 公斤的車輛重量，并且可以將載貨空間提高 2.4%。

提問(wèn)：哪些負(fù)載將繼續(xù)依賴 12 V?

理查德：大部分安全負(fù)載和極低功率負(fù)載，例如用于駕駛艙和電動(dòng)車窗的 LED 閱讀燈，將保持在 12 V。所有電源負(fù)載，例如水泵和油泵，將移動(dòng)到 48 V 或高壓。

為了提高乘坐舒適性，正在進(jìn)行大量研究。隨著車輛變得更加自主，司機(jī)和乘客的旅行體驗(yàn)將變得更像是乘坐火車，他們希望這會(huì)非常順暢。實(shí)現(xiàn)這種平穩(wěn)行駛需要電動(dòng)防傾桿或主動(dòng)懸架等設(shè)備，這些設(shè)備需要大量動(dòng)力。

提問(wèn)：電動(dòng)汽車的主動(dòng)力電池可以用來(lái)為這些負(fù)載供電嗎?

理查德：使用牽引電機(jī)電池(這是車輛中最大的能源)來(lái)下轉(zhuǎn)換為不同的安全電壓是有意義的。通常，電動(dòng)汽車中的牽引電機(jī)電池為 400 V 或 800 V。

解決此問(wèn)題的更好方法是徹底重新考慮車輛中的 PDN：取消物理 12V 電池，并用主 EV 電池中的 12V“虛擬”電池取而代之。

理想的車輛架構(gòu)將是一個(gè) HV 電池，用于為動(dòng)力總成和所有輔助負(fù)載供電，前提是它能夠滿足必要的瞬態(tài)響應(yīng)要求。Vicor 高密度總線轉(zhuǎn)換器模塊技術(shù)通過(guò)直接從 HV 電池虛擬化低壓電池(48 V 或 12 V)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種方法。

模塊化電源方法與創(chuàng)新拓?fù)湎嘟Y(jié)合，可讓您遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) 12 V 鉛酸電池 (75 A/30 μs) 的壓擺率(瞬態(tài)響應(yīng))。使用電源模塊和正弦幅度轉(zhuǎn)換器，您可以處理從 HV 電池到負(fù)載的數(shù)千安培電流，消除任何跌落或負(fù)載超出調(diào)節(jié)范圍。

彭：這樣做有什么好處?

理查德：主要優(yōu)點(diǎn)是車輛中只有一個(gè)電池，減輕了重量。它還簡(jiǎn)化了架構(gòu)并降低了封裝要求，這對(duì)于重型 12V 電池來(lái)說(shuō)可能很復(fù)雜。

這種方法還降低了車輛 OEM 的保修成本。12V 電池通常保修三年。在此期間，如果它發(fā)生故障，更換它的責(zé)任在于車輛制造商，這會(huì)導(dǎo)致潛在的可觀成本。

Vicor 模塊化方法允許工程師通過(guò)僅使用三到四個(gè)不同類型的可擴(kuò)展構(gòu)建塊模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)大約 300 種電力傳輸組合。從小型城市汽車到大型 SUV，各種尺寸的車輛都可以通過(guò)使用相同 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的通用電源平臺(tái)供電。擴(kuò)大規(guī)模只涉及添加更多電源模塊。

這種設(shè)計(jì)方法節(jié)省了數(shù)百小時(shí)的時(shí)間和大量的資源，讓 OEM 在電氣化競(jìng)賽中脫穎而出。

提問(wèn)：使用這種方法時(shí)要牢記的主要注意事項(xiàng)是什么?

回答：基于分立 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的傳統(tǒng) PDN 可能包含 200 多個(gè)龐大的組件，而 Vicor 先進(jìn)技術(shù)提供單個(gè)高密度電源模塊。對(duì)于工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，節(jié)省的時(shí)間非?？捎^，與相同功能的 200 多個(gè)單獨(dú)組件相比，只需要對(duì)一個(gè)模塊進(jìn)行認(rèn)證。

提問(wèn)：實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要哪些額外的架構(gòu)或組件?

回答：不需要額外的組件，因?yàn)?HV 到 12V DC/DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)是 EV 的重要組件。Vicor 的技術(shù)帶來(lái)了額外的功能，因?yàn)橐瞥?12V 電池后會(huì)產(chǎn)生快速瞬態(tài)響應(yīng)。

Vicor 還在研究組件冗余以提高功能安全性。

提問(wèn)：Vicor 為該應(yīng)用提供了哪些解決方案?

回答：使用零電壓、零電流開(kāi)關(guān) (ZVS/ZCS)，Vicor BCM 總線轉(zhuǎn)換器在比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器更高的頻率下工作，使其比物理電池響應(yīng)更快。

例如，BCM6135 的工作頻率為 1.2 MHz，與傳統(tǒng)的 ZVS/ZCS 諧振轉(zhuǎn)換器不同，它在窄帶頻率內(nèi)工作。BCM 的高頻操作提供對(duì)負(fù)載電流變化的快速響應(yīng)以及從輸入到輸出的低阻抗路徑。

固定比率轉(zhuǎn)換、雙向操作、快速瞬態(tài)響應(yīng)(高于每秒 8 MA)和低阻抗路徑共同使 BCM 能夠使 HV 電池看起來(lái)像 48 V 電池，我們稱之為“轉(zhuǎn)換”。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器相比，這種轉(zhuǎn)換電源的能力既是關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，也是關(guān)鍵區(qū)別。