作者：Vicor歐洲汽車業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Nicolas Richard

沒錯(cuò)，汽車12V鉛酸電池即將退出市場(chǎng)。歐洲已頒布法令，2030年之后，所有新車均不再使用鉛酸電池，這給OEM廠商尋找替代解決方案帶來了極大的挑戰(zhàn)。雖然這似乎是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但它也可帶來巨大的機(jī)遇，不僅可消除對(duì)環(huán)境有害的電池，同時(shí)還可減輕車輛重量并提高整體效率。

12V電池及供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)是全球標(biāo)準(zhǔn)，支持?jǐn)?shù)百種負(fù)載，包括一些與安全密切相關(guān)的負(fù)載，因此，解決方案既要有創(chuàng)新性，而且還必須堅(jiān)固。用來連接高壓、48V和12VPDN的高密度、大功率、高效電源模塊，可針對(duì)這一即將出現(xiàn)的挑戰(zhàn)提供具有最高靈活性及可擴(kuò)展性的解決方案。

在考慮潛在解決方案時(shí)，OEM廠商必須考慮幾個(gè)重要因素：增加功率來支持性能更好的新特性，提高效率以延長(zhǎng)行駛里程并優(yōu)化熱管理，減少二氧化碳，優(yōu)化電纜布線，減輕線束重量，以及滿足EMI要求。這些都是這個(gè)復(fù)雜方程式中的一些變量。

為該方程式求解有兩個(gè)主要選項(xiàng)。將12V鉛酸電池替換為12V鋰離子電池是一個(gè)選項(xiàng)。雖然它確實(shí)可略微減輕重量，但也會(huì)保留12VPDN幾十年的傳統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生其它優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)選項(xiàng)是支持電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車/插電式混合動(dòng)力汽車中由400V或800V主電池供電的12VPDN。后一種選項(xiàng)優(yōu)勢(shì)眾多，但這兩種選項(xiàng)都值得進(jìn)一步探索。

采用12V鋰離子電池

簡(jiǎn)單地將12V鉛酸電池替換為12V鋰離子電池，的確可節(jié)省約55%的重量，但對(duì)成本影響很高。12V鋰離子電池需要一個(gè)電池管理系統(tǒng)（BMS）來控制充電并在汽車的整個(gè)生命周期內(nèi)保持電池的全面工作。特斯拉和現(xiàn)代的發(fā)展方向就是這樣的。

此外，還需要增加一款從高壓到12V的大型DC-DC轉(zhuǎn)換器（具有電壓和電流調(diào)節(jié)特性），才能為12V鋰離子電池充電并為電氣負(fù)載供電。但這不會(huì)增加任何優(yōu)勢(shì)。它所增加的只是重量、車輛總體布置的復(fù)雜性和系統(tǒng)成本，而且還會(huì)降低車輛的整體可靠性。相比之下，消除12V電池，不僅可將汽車重量減少13kg，還可將貨艙空間增大2.4%。

傳統(tǒng)的12VPDN效率低

維護(hù)一款12V的物理電池，就意味著維護(hù)一個(gè)具有不必要冗余的低效率PDN。在典型的汽車12VPDN中，所有連接12V母線的12V負(fù)載都有內(nèi)部前置穩(wěn)壓器，可將寬輸入電壓范圍（通常從6V到16V）轉(zhuǎn)換為5V、3.3V或更低電壓。從全球系統(tǒng)角度來看，無論是電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車，還是插電式混合動(dòng)力汽車，都有串聯(lián)穩(wěn)壓器冗余。一款從高壓到12V的DC-DC轉(zhuǎn)換器可為12V母線（效率高）穩(wěn)壓，而前置穩(wěn)壓器則可為每個(gè)負(fù)載提供合適的內(nèi)部電壓（圖1）。

這種傳統(tǒng)架構(gòu)起源于汽車配備交流發(fā)電機(jī)的時(shí)代，交流發(fā)電機(jī)是一種敏感的12VPDN，需要穩(wěn)壓才能為電池充電，在啟動(dòng)事件中保持無線電工作，或讓車的白熾大燈保持適當(dāng)亮度。OEM廠商非常有創(chuàng)意地繞過了12V電源限制，近年來設(shè)計(jì)了兩款12V電池，一款用于動(dòng)力轉(zhuǎn)向的24V電池以及其間的幾款DC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖1：xEV使用的典型E/E，采用使用冗余穩(wěn)壓器的12V電池。高壓至12V的DC-DC可為12V輸出穩(wěn)壓，為12V電池充電。車輛中的每個(gè)12V負(fù)載都有一個(gè)前置穩(wěn)壓器，以提供負(fù)載工作所需的適當(dāng)電壓。圖1：這兩個(gè)機(jī)器人平臺(tái)的規(guī)模大不相同，但它們的供電網(wǎng)絡(luò)卻有很多共同之處。模塊化方法有助于高度靈活地完成初始設(shè)計(jì)，通常能加速交付后續(xù)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

用虛擬電池替代12V電池

解決該問題的更好方法是完全重新考慮汽車PDN：取消12V的物理電池，用電動(dòng)汽車主電池中的12V“虛擬”電池替代（圖2）。每輛電動(dòng)汽車都有一個(gè)主電池，因此搭載額外的儲(chǔ)能設(shè)備無意義。理想的車輛架構(gòu)是使用一款高壓電池為動(dòng)力系統(tǒng)及所有輔助負(fù)載供電。Vicor高密度母線轉(zhuǎn)換器模塊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這一方案，它將低壓電池（48或12V）直接從高壓電池（400或800V）虛擬化出來。

圖2：優(yōu)化的E/E架構(gòu)可取消12V的物理電池。使用Vicor BCM母線轉(zhuǎn)換器技術(shù)轉(zhuǎn)化高壓電池，可創(chuàng)建虛擬12V電池。

Vicor BCM母線轉(zhuǎn)換器采用零電壓、零電流開關(guān)（ZVS/ZCS）技術(shù)，其工作頻率比常規(guī)轉(zhuǎn)換器高，因此其響應(yīng)速度比物理電池快。例如，BCM6135與常規(guī)ZVS/ZCS諧振轉(zhuǎn)換器不同，工作頻率為1.2MHz，該BCM在窄帶頻率下工作（圖3）。BCM的高頻率工作可針對(duì)負(fù)載電流的變化以及從輸入到輸出的低阻抗路徑提供快速響應(yīng)。固定比率轉(zhuǎn)換、雙向工作、快速瞬態(tài)響應(yīng)（每秒超過8MA）和低阻抗路徑相結(jié)合，可幫助BCM使高壓電池看起來像48V電池，我們將其稱為“變壓”。與常規(guī)轉(zhuǎn)換器相比，這種對(duì)電源進(jìn)行變壓的功能既是重要優(yōu)勢(shì)，也是重要的差異化特性。

圖3：BCM6135的快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是支持12V負(fù)載的關(guān)鍵。瞬態(tài)響應(yīng)為每秒800萬安培(8MA/s)。黃色：輸入電壓(800VDC)，紅色：輸出電壓(48V)，藍(lán)色：輸出電流。

圖4：BCM母線轉(zhuǎn)換器的功能框圖。雖然BCM可進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換，但它還可使用變壓器進(jìn)行高效的AC-AC轉(zhuǎn)換，不僅可按K因數(shù)縮放大小，而且還可使用開關(guān)模塊在AC與DC之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。開關(guān)在高頻率下完成，而且由于具有和變壓器一樣的能量傳輸特性，因此轉(zhuǎn)換不僅能對(duì)瞬態(tài)負(fù)載變化做出快速響應(yīng)，而且還可在輸入和輸出之間提供一個(gè)低阻抗路徑。

Vicor BCM可用作固定比率轉(zhuǎn)換器，其中輸出電壓是輸入電壓的一個(gè)固定比值。Vicor BCM6135轉(zhuǎn)換器為隔離式，采用61x35x7毫米封裝提供2.5kW的電源，峰值效率超過97%。它可輕松并聯(lián)在陣列中，提供更大功率。

該BCM的固定比率屬性可確保虛擬電池保持在其適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶鷥?nèi)。例如，在800V電池供電的電動(dòng)汽車中，可確保高壓電池在520至920V之間。比率為1/16的BCM6135可為48V電池實(shí)現(xiàn)虛擬化，確保電壓范圍在32.5和57.5V之間。BCM61351/8的比率可用于400V電動(dòng)汽車（圖3）。

電池虛擬化還可使用1/4固定比率轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展至12V母線。這種情況不需要電流隔離，可以使用Vicor NBM母線轉(zhuǎn)換器。與BCM的其它特性相同，NBM非隔離母線轉(zhuǎn)換器具有上述所有優(yōu)勢(shì)：快速瞬態(tài)響應(yīng)、低阻抗和雙向工作。12V母線上的電壓范圍保持在8.125V與14.375V之間，與高壓電池電壓的比率是固定的。BCM和NBM技術(shù)是連接汽車各供電網(wǎng)絡(luò)的理想變壓器。

表1：采用Vicor BCM/NBM母線轉(zhuǎn)換器技術(shù)的48V母線和12V母線上的最小電壓和最大電壓。48V和12V電壓范圍均符合VDA320和LV124標(biāo)準(zhǔn)。

圖5：基于BCM6135和NBM2317模塊的12V及48V電池虛擬化E/E架構(gòu)。48V母線還可作為一個(gè)更高效電源，為車輛中的更高負(fù)載供電，如空調(diào)冷凝器、水泵和主動(dòng)底盤穩(wěn)定系統(tǒng)等。

確保功能安全負(fù)載的供電冗余至關(guān)重要。Vicor電源模塊在電源與傳輸方面完全可擴(kuò)展，因此可將其設(shè)計(jì)成冗余PDN，從而可通過兩條專用電源轉(zhuǎn)換路徑實(shí)現(xiàn)為功能安全至關(guān)重要的負(fù)載供電。最終，OEM廠商可實(shí)施本地化能量存儲(chǔ)，確保ADAS、轉(zhuǎn)向和剎車等重要系統(tǒng)的功能安全運(yùn)行。

電動(dòng)汽車供電網(wǎng)絡(luò)將何去何從

12V鉛酸電池將很快退出歐洲市場(chǎng)。鑒于所有的創(chuàng)新都推動(dòng)了電動(dòng)汽車供電網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計(jì)，這個(gè)時(shí)機(jī)非常合適。

汽車電氣PDN正處于12V供電的十字路口。試圖保持最少的架構(gòu)變化的同時(shí)，越來越多的嚴(yán)格電源負(fù)載應(yīng)用于車輛。特斯拉首席執(zhí)行官Elon Musk表示：“我們?yōu)槭裁催€要用12V電壓？12V只是殘留的電壓，的確太低了。”

OEM廠商正在爭(zhēng)先恐后地設(shè)計(jì)更好的PDN，為電動(dòng)汽車提供更大的里程和更高的性能。完全取消12V電池明顯是一個(gè)長(zhǎng)期解決方案，不僅可減少重量和空間，而且還能提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)及系統(tǒng)性能。Vicor技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)，而且還可提供無與倫比的靈活性、可擴(kuò)展性和功率密度。Vicor的PDN模塊方案為解決新一代xEV的12V供電網(wǎng)絡(luò)的近期挑戰(zhàn)提供理想的構(gòu)建模塊。

Vicor歐洲汽車業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Nicolas Richard

在加入Vicor之前，Nicolas在IDT（瑞薩電子）擔(dān)任北美汽車業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人，主要從事動(dòng)力系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)與ADAS系統(tǒng)的技術(shù)銷售。在加入IDT之前，他曾在安森美擔(dān)任過4年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)內(nèi)部設(shè)計(jì)及應(yīng)用團(tuán)隊(duì)（是一支“從概念到產(chǎn)品冠軍”團(tuán)隊(duì)），負(fù)責(zé)安森美在密歇根州底特律的汽車銷售新產(chǎn)品增長(zhǎng)戰(zhàn)略。他的工作經(jīng)歷還包括在大陸汽車公司的9年工程與開發(fā)工作，在此期間，他曾在大陸汽車混合動(dòng)力與電動(dòng)汽車部門擔(dān)任各種工程設(shè)計(jì)職務(wù)，主要設(shè)計(jì)DC/DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。