紧凑型电源模块开启创新新型电动汽车电源设计的无限可能
 
作者：Chinmaya Joshi，汽车事业部总监，Vicor
 
汽车在安全性能、舒适性和信息娱乐系统方面的发展正在不断提升对电源的要求，这为电源系统工程师带来了挑战，满足汽车不断增长的电源需求的同时要解决重量和空间限制的问题。在过去 10 年中，典型 12V 电源需求从 1.2kW 增加到了 4kW 的持续负载，这对 12V 铅酸电池产生了复合效应，由于其 50% 放电深度 (DoD) 的限制，12V 铅酸电池的容量必须是所需电源的两倍。
 

 
到底为什么要使用 12V 铅酸电池？插电式混合动力汽车和轻度混合动力汽车不能完全淘汰 12V 电池，因为它仍是冷启动的唯一选择。然而，正确调整 12V 电池的尺寸，满足所有静态电流（常开）使用情况及冷启动要求，是一项复杂的计算。
 
优化 12V 电池，满足最新电源要求
大多数 OEM 厂商都在为纯电动汽车和燃油车重新设计供电架构，以满足轻度混合动力汽车 (MHEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 的要求。他们正在积极努力争取那些因纯电汽车行驶里程、充电网络兼容性的局限而对其持保留态度的消费者。今天，插电式混合动力汽车是一个非常务实的选项，不仅没有里程焦虑，还享有电气化的优势。
 
电源系统设计人员不仅要考虑最坏的情况，而且还要考虑所有的极端情况，其中包括 -40 到 +50°C 的环境。在 -40°C 下启动发动机是一种最为艰难的使用情况，称之为冷启动。
 
电池在-40°C下的冷电流供应，术语称为“冷启动电流”或CCA。由于其化学性质，电池本来就难以在低温条件下充放电，而 CCA 额定值可帮助系统工程师判断其选择的电池是否能满足系统要求。在低温下，典型的动力锂离子电池因其化学性质表现不佳，无法通过 DC-DC 转换器提供这种快速峰值电流 (75A/30µs) 来满足发动机的起动要求。锂离子阴极化学成份能尽可能优化封装效率及纯电动汽车行驶里程，而不是冷启动。
 
12V 电池的另一项优势是：它提供所需电容，吸收来自低压母线的任何瞬态。这些瞬态通常是从电气起动发电机马达产生的。
 
12V 电池的封装挑战
通常情况下，启动器电池封装在副驾驶座位下，因为发动机舱内的温度不适合封装电池。然而，插电式混合动力汽车电池寻找封装空间通常是为了最大限度提升电动汽车行驶里程。此外，12V 电池不断增长的电源需求还会加剧封装难度。通常需要 H6 型电池的汽车现在需要 H8 AGM 电池（图 1），需要重新布置在后排客舱中。封装加上增加的 50mm² 的线缆布线距离（增加达三倍），将增加系统的总成本和重量。
 
车辆平台上的供电架构及组件封装通常旨在降低所有动力系统（燃油汽车、轻度混合动力汽车和插电式混合动力汽车）的系统复杂性，因此增加的系统成本会影响插电式混合动力及汽车燃油车型。
 

表 1：这代表 12V 启动器电池的尺寸、容积及典型命名规范。随着越来越多的 OEM 厂商将 12V 电池容量从 H4 提高到 H8，增加的尺寸和重量将限制车辆的行驶里程。使用 Vicor 模块，12V 规格电池的重量可降低 2/3，体积可缩小近 ½。（数据来源：汽车 DIN 标准）。
 
最小化 12V 电池，最大化供电网络
12V 电池的典型负载有两个主要目的：一个是启动发动机；另一个是支持待机运行或者称为 “静态电流”。随着为客户带来舒适性的电气特性和“常开”特性越来越多，待机电流的需求以及需要常开功能的数量已呈现指数级增长。在典型的使用案例中，大多数汽车 OEM 厂商都会将待机时间设计为 50 天。这通常需要消耗 14 - 16mA 的电流，50 天以上的周期，就相当于电池组的总体容量为 16A·h。
 
信息娱乐、远程信息处理以及车辆更多的待机功能使用，进一步增加了高达 6A·h 的电池容量（因为过去它们并非持续开启状态）。常开负载总会增加铅酸电池的循环次数，而导致增加（低于 50% DoD 时耗尽）的铅酸电池的保修费用。
 
另外，可使用 Vicor 固定比率母线转换器模块从牵引锂离子电池提供常开的能量，以便高效将该能量传输给常开或循环开关的负载，从而可增强控制、提高效率。此外，Vicor 在母线转换器中使用的正弦振幅转换器 (SAC™) 拓扑还能够实现比 12V 铅酸电池更快的瞬态响应（图 2）。
 

表 2：Vicor 模块的瞬态性能比 12V 电池快得多，可轻松处理 700 安培/毫秒的电流
 
SAC 拓扑可在无任何压降的情况下处理从高压电池到负载的数千安培的电流，而且基准测试显示：响应时间比典型 12V 电池快 3 倍（图 3）。
 

固定比率转换器（如SAC）的一项重要优势是比率或 K 因数，即一次匝与二次匝的比率，它对其有效输出电容有平方效应。
 

SAC 拓扑对其有效输出电容有平方效应。
 
 
例如，对于 48 至 12V 转换器而言，K 因数是 ¼，也就是说有效二次电容是一次电容的 4 的平方，即 16 倍。
 

图 1：Vicor 模块具有极好的瞬态响应性，可视为“虚拟电池”
 
 
用于待机电源及常规启动功能的更轻、更小的虚拟电池
Vicor 高压隔离 (BCM®)（图 D）及低压非隔离 (NBM™) 母线转换器模块，可为“虚拟电池”提供解决方案。虚拟电池可在缩小尺寸、减轻重量并减少温度限制的同时，复制电池的基本属性。
 

图 2：Vicor 模块是非常小巧、轻便的电源模块。该图显示的、K 因数为 1/16 的 BCM 可在手掌大小的外壳中封装 2kW 的功率
 
如果在大多数启动情况下，备用负载由 Vicor BCM 或 NBM 供电，12V 铅酸电池的容量就可大幅降至 H4 以下（仅适用于冷启动），从而可进一步减轻系统重量。这可进一步改进副驾驶座位下方的封装选项，减少相关线束。
 
更接近负载，可减少大电流带来的寄生电感与串行电阻的能量损耗。Vicor 提供的封装优势是：使其更接近负载。这不仅可消除输入或输出端的任何内部串联电感，而且还可轻松处理每秒 70 万安培或每毫秒 700 安培的电流，因为Vicor电源模块拥有优异的瞬态响应性（图 3）。
 

 

图 3：Vicor 模块与 12V 启动器电池相结合，有助于显著缩小 12V 电池的尺寸，而且不会丧失关键的 -40ºC 冷启动功能。此外，它还允许将电池封装在合适的位置，可同时可在轻度混合动力汽车和插电式混合动力汽车之间实现更简单的通用电气架构。最后，它还可帮助实现 ASIL D 电源系统为3 级 ADAS 特性做好准备。
 

表 3：Vicor 模块不仅有助于降低材料成本和整体系统成本，同时还可在不损失任何功能的情况下，简化电气架构，提高汽车效率和性能。汽车公司可为每辆汽车有效实现高达 94 欧元的成本节省。
 
Vicor 电源模块为优化电动汽车电源系统开辟新途径
随着越来越复杂的舒适性和互联需求，与多个动力系统相结合，OEM 厂商在提高可靠性的同时，还将获得简化配电架构的优势。
 
汽车 PDN 追求更高的电源设计效率，因此 Vicor 电源模块可为工程师实现其目标提供创新的机会。插电式混合动力汽车采用电源模块PDN具有多种优势（表 F）。利用电源模块缩小 12V 电池，可将电源系统设计尺寸缩小 66%、重量减少 50% 以上、效率提高 15% 以上。汽车公司可为每辆汽车有效实现高达 94 欧元的成本节省。
 
使用模块化电源，工程师可最大限度缩小 12V 电池，实现燃油车、轻度混合动力汽车以及插电式混合动力汽车之间的通用电源架构并可满足更多特性需求。采用电源模块设计，不仅可降低复杂性和重量，而且还可提高可靠性和系统效率，所有这些都有助于降低系统成本、增加电动汽车行驶里程。
 
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