特斯拉最近宣佈，未來所有特斯拉電動汽車都將採用 48V 低壓系統。隨著產業朝著這個方向發展，將為 OEM 廠商以及一級供應商的適應帶來機遇和挑戰。採用分散式區域架構，在負載端將 48V 轉換為 12V，是架構這類系統最有效的方法。Vicor 高功率密度小型模組可使設計和建構區域架構變得簡單，為 xEV 提供支援。
汽車、卡車、公共汽車及摩托車製造商正在快速實現車輛電氣化以減少 CO2 排放。OEM 廠商在採用多種方法實現電氣化，混合動力系統、插電式混合動力汽車 (PHEV) 和純電動汽車 (BEV) 是主要的電氣化途徑。雖然混合動力和 PHEV 動力系統保留了內燃機，並與基於交流發電機的 12V PDN 緊密相連，但純電動汽車平台為 OEM 廠商設計純電動汽車的 PDN 提供了全新的思路。然而，人們對於修改長期存在的 12V 供電網路 (PDN) 卻普遍猶豫不決。變革通常需要經過廣泛測試的新技術，可能還需要能夠提供汽車產業高安全及高品質標準的全新提供商。
使用電源模組最大化 48V PDN
在純電動汽車平台中，電源是高壓 (HV)（400 或 800V）電池，該高電壓需要降至 60V 以下的安全超低電壓 (SELV)。SELV 的第一個工作等級為 48V，或者 OEM 廠商也可將電源降至 24V 或 12V，用於汽車 PDN。現在可以選擇新增能直接處理 48V 輸入的系統，也可以保留泵、風扇和電機等傳統 12V 機電負載，而透過 DC-DC 穩壓轉換器將 48V 轉換成 12V。為了管理變化和風險，現有純電動汽車供電系統正在逐漸增加 48V 負載，但仍然使用大型集中式數千瓦高壓至 12V 的轉換器，為整個汽車提供 12V 電源。然而，這種集中式架構沒有完全利用 48V PDN 的優勢，也沒有利用可用的先進轉換器拓撲、控制系統和封裝的優勢。
這些集中式 DC-DC 轉換器（圖 1）絕大多數都很笨重，因為它們使用較早的低頻率 PWM 切換拓撲。此外，對於大量重要供電鏈系統來說，他們也代表了單點故障。這些集中式系統還將熱負荷集中在一個點上，需要一套很大的散熱系統（圖 3）。
需要考慮的另一種架構是使用模組化電源元件的區域供電（圖 2）。該供電架構使用更小、更低功耗的 48 至 12V 轉換器，在車輛各處接近 12V 負載的地方配電。簡單的功率方程式 P = V • I 和 PLOSS = I2R 就可以說明為什麼 48V 配電比 12V 更高效。
對於給定功率等級而言，48V 時的電流是 12V 的四分之一，功耗 (I2R) 為 1/16。在 ¼ 電流下，纜線和連接器可以更小、更輕，而且成本也會更低。此外，區域電源架構還具有顯著的熱管理及電源系統備援優勢（圖 4）。這是為整個車輛中傳輸數千瓦電源的另一種途徑，無需考慮傳統 DC-DC 轉換器的重量、散熱問題和體積。
區域架構的模組化可最佳化效率
使用模組化方法進行分散式供電（圖 4）具有高度的可擴充性。
電池的 48V 輸出分配給車內各種高功率負載，最大限度提高了更低電流（4 倍）及更低功耗（16倍）的優勢，從而實現了更小、更輕的 PDN。根據對各種分散式負載的負載功率分析，可針對適當的功率進行模組設計和認證，然後可透過將其用於並聯陣列來調高系統功率等級。
本實例展示的是一個 2kW 模組。如前文所述，顆數和可擴充性根據系統而定。將模組分散至端點區域，而不是使用大型集中式 DC-DC 轉換器，能以更低的成本實現 N+1 冗餘。如果負載功耗在汽車開發階段發生變化，這種方法也有優勢。工程師可以增減模組，無需對整個完成的客製化電源進行修改。此外，該模組已經獲得核准和認證，可減少開發時間。
實施可擴充區域分佈模組化 48V 架構
純電動汽車或高性能混合動力車可使用高電壓電池，因為動力和底盤系統電源需求很高。48V SELV PDN 仍然會為 OEM 廠商提供顯著的優勢，但現在，電源系統設計人員卻面臨著 800V 至 48V 或 400V 至 48V 高功率轉換的其它挑戰。
這種大功率 DC-DC 轉換也需要隔離，但由於在此範圍內使用穩壓轉換器效率非常低，而且會有很大的熱管理問題，因此這種轉換不應該包含穩壓。透過在下游使用穩壓負載點轉換器，上游高功率轉換器可使用更高效的固定比率拓撲。這具有極大的優勢，因為 16:1 或 8：1 的寬輸入至輸出電壓範圍分別適用於 800/48 和 400/48（見圖 5）。OEM 廠商通常將這種高效率的降壓解決方案佈置在電池組自身內部，在某些情況下甚至可以不用電池。Vicor 固定比率高壓母線轉換器能夠以快速的壓擺率實現快速的電流傳輸，這可幫助 OEM 廠商減少 12 至 14 公斤不必要的 48V 電池重量。
由於配送 400V 或 800V 電源時的安全要求，分散高電壓隔離式轉換器困難重重且成本高昂。然而，可使用電源模組取代大型「銀盒」DC-DC 轉換器來設計大功率集中式固定比率轉換器。
電源模組具有高度的可擴充性，還可輕鬆並聯，適用於一系列具有不同供電鏈和底盤電氣化要求的車輛。此外，Vicor BCM® 固定比率母線轉換器也是雙向的，支援各種能源回收方案。BCM 採用正弦振幅轉換器 (SAC™) 高頻率軟切換拓撲，可實現 98％ 以上的效率。此外，它們還具有 2.6kW/in3 的功率密度，可顯著縮小集中式高壓轉換器的尺寸。
特斯拉已經接受了挑戰。他們致力於轉向 48V，這是全球汽車電氣化的下一個重要步驟。其他公司也會效仿。開發最佳純電動汽車的競爭需要挑戰極限，還需要引入新技術，才能保持領先地位。將供電網路升級到 48V 是顯而易見的下一步工作。為了實現通過採用48V系統獲得的PDN優勢，最快的路徑是在每個區域使用高功率密度DCDC轉換器部署區域架構。除了 48V 纜線重量更輕的優勢外，電源模組還可提高散熱效率，並在整個車輛中提供 48V 至 12V 的最高轉換效率。此外，精巧型電源模組還可輕鬆擴充，是向 48V 區域分散式 架構的無縫補充。
資料來源 : Vicor
