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車載供電系統(tǒng)發(fā)展方向:48V與分布式

發(fā)布時間:2020-08-20 責任編輯:lina

【導讀】特斯拉股價持續(xù)高漲,證明了電動汽車/混動汽車的前景,也證明了市場需要更綠色/節(jié)能的出行方式。傳統(tǒng)燃油汽車也好,電動汽車也好,為了減輕系統(tǒng)功耗,都在努力嘗試在動力系統(tǒng)中直接增加48V直流(DC)總線系統(tǒng)。
 
特斯拉股價持續(xù)高漲,證明了電動汽車/混動汽車的前景,也證明了市場需要更綠色/節(jié)能的出行方式。傳統(tǒng)燃油汽車也好,電動汽車也好,為了減輕系統(tǒng)功耗,都在努力嘗試在動力系統(tǒng)中直接增加48V直流(DC)總線系統(tǒng)。
 
采用48V的好處有哪些?從歐姆定律來看,電壓越高電流越小,導線的損耗和散熱就越小,這也是為何電網(wǎng)采用高壓輸配電的原因。對于汽車而言,目前的12.6V鉛酸電池是一個傳承久遠的折中方案,可以兼顧體積、容量、成本、壽命和安全等因素。
 
然而現(xiàn)在的汽車需要比幾年前的汽車擁有更多的電子設備,除了發(fā)動機、燈、收音機、電動天窗、電動助力轉向、網(wǎng)絡和信息娛樂等基本功能,現(xiàn)在還會集成很多其他安全便捷的功能,尤其是高功耗的ADAS系統(tǒng),如果繼續(xù)采用12V電源的話,會造成線束的發(fā)熱和損耗,如果采用更粗的線束,又無法滿足汽車輕量化及成本要求。
 
48V供電系統(tǒng)誕生
 
與傳統(tǒng)的12V鉛酸電池不同,48V電池采用了鋰電池系統(tǒng),具有更高的重量和體積能量密度。
 
車載供電系統(tǒng)發(fā)展方向:48V與分布式
 
在某些方面12V/48V微混系統(tǒng)是一個折中的方案,但與其他折中方案不同,這種方案有很多的優(yōu)勢,降低成本,提升效益和回報率(來源:Delphi科技)
 
在這種方法中,48V電池——按照汽車標準LV148的規(guī)定——作為補充與12V鉛酸電池結合使用(這樣能夠提供3KW的額定功率)。12V電池和48V電池將連同他們的配電線束一起使用,在需要功率輸出的時候兩塊電池都提供能量輸出,比如12V總線可以為點火、照明和信息娛樂系統(tǒng)提供電源,而48V總線將負責底盤控制系統(tǒng)、空調(diào)、調(diào)整懸架、回收制動能量、驅(qū)動電動增壓器和渦輪等。
 
車載供電系統(tǒng)發(fā)展方向:48V與分布式
 
雙電壓微混方式將有效分配電壓和可用的功率,從效率和運行的角度來看這是最有意義的(來源:Delphi科技)
 
考慮一個基本組件:發(fā)動起啟動器,48V電池如何改變發(fā)動機啟動器的基本架構,從而更好的增強啟停效果,這種方式有利于減少在紅綠燈和停車等待時的燃油消耗,進一步增強燃油效率。在大多數(shù)只有12V電池的汽車中電池為啟動器提供動力,交流發(fā)電機作為充電器,然而48V和12V的組合使用可以提供高達10KW的功率,啟動電機和獨立的交流發(fā)電機被集成的啟動發(fā)電機(ISG)或帶式啟動發(fā)電機所取代,48V鋰離子電池和雙向DC/DC轉換器會被封裝在堅固的盒子內(nèi),這其實是一種弱混動力系統(tǒng),與內(nèi)燃機協(xié)同工作。它可以提供三分之二的好處,但是只有三分之一的成本,而經(jīng)濟效益增加了15%到20%。
 
為什么是48V和12V
 
10幾年前,業(yè)界關于24V的討論非常的激烈,一些主要廠商甚至已經(jīng)開始生產(chǎn)24V連接器、開關、繼電器和其他基礎部件。此外關于汽車是否應該完全淘汰12V電池僅采用24V電池,還是讓它們共存,這個爭論一直未解決。但是24V電壓無法更好地體現(xiàn)高總線電壓所帶來的優(yōu)勢。
 
同時,在大多數(shù)地區(qū)超過60V的直流電壓被認為是不安全的,需要特殊的接線注意事項、安全鎖、使用導管和物理屏蔽等。所以目前48V成為了主流標準,48V系統(tǒng)的峰值會低于60V,也就是滿足安全要求,從而減少了安全認證等步驟。
 
電源管理的難題
 
除了48V之外,電動汽車還有800V/400V的動力電池系統(tǒng),這些高壓系統(tǒng)都給功率電子設計帶來了更多難題。
 
“今天電氣化面臨的挑戰(zhàn)是:降低成本,減少二氧化碳排放以及電源管理需求的變化,為傳統(tǒng)的12V負載供電,為更輕、性能更高的車輛提高功率水平,加快充電時間,以及管理800V和400V電池系統(tǒng)。”Vicor 汽車業(yè)務發(fā)展全球副總裁Patrick Wadden說。
 
汽車、卡車、公共汽車和摩托車的制造商都在嘗試采用更多的電力電子,以提高內(nèi)燃機的燃油效率并減少二氧化碳排放。有許多電氣化選擇,但大多數(shù)制造商選擇48伏的輕度混合動力系統(tǒng),而不是全混合動力系統(tǒng)。在輕度混合動力系統(tǒng)中,除了傳統(tǒng)的12V電池外,還增加了48V電池。
 
“當車上有一個800V或400V的供電電池時。Vicor可以直接將800V或400V轉化為48V,為電動渦輪、擋風玻璃和冷卻泵等負載供電。這樣通過創(chuàng)建48V供電總線,可以完全取消48V鋰電池供電系統(tǒng),為OEM提供了更高的功率密度,同時減輕了重量和尺寸,并且這些解決方案完全可擴展,支持從入門級到豪華級的各種需求。
 
車載供電系統(tǒng)發(fā)展方向:48V與分布式
圖:啟用虛擬48V電池(來源:Vicor)
 
車載供電系統(tǒng)發(fā)展方向:48V與分布式
圖:從12V切換到48V的系統(tǒng)(來源:Vicor)
 
48V技術可有效分配電力
 
48V技術可將功率容量提高4倍(P=V*I),可用于較重負載,如啟動時的空調(diào)和催化轉化器。為了提高車輛性能,48V系統(tǒng)可以為混合動力汽車提供動力,在節(jié)省燃油的同時實現(xiàn)更快、更平穩(wěn)的加速。
 
Wadden說:“最大挑戰(zhàn)是人們面對新技術的猶豫不決,對于汽車工業(yè)來說,48V輕度混合動力系統(tǒng)提供了一種快速引入新車輛的方法,這種方法排放量低、續(xù)航里程長、耗油量高,而且具有實用性。它還提供了新的、令人興奮的設計選項,以實現(xiàn)更高的性能和功能,同時還能減少二氧化碳排放。”
 
絕大多數(shù)集中式DC-DC轉換器體積大、重量重,因為它們使用舊的PWM低頻開關拓撲,所以業(yè)界也很少有更換的需求。一個更為先進的體系結構是使用電源模塊和分布式的電源軌。
 
Wadden說:“使用分散式模型的好處可以在系統(tǒng)級實現(xiàn),在車輛周圍使用更輕的電纜:將轉換器放置在離負載最近的位置有一些好處,可以最小化阻抗和電阻,簡化冷卻方法,在某些情況下甚至可以消除冷板或液體冷卻。通過更多的選擇和靈活性來實現(xiàn)功能安全。”
 
這種電源傳輸架構使用更小、功耗更低的48V-12V轉換器,因此分布式電源結構在電源系統(tǒng)中提供了顯著的熱管理優(yōu)勢。
 
“讓我們看一個集中系統(tǒng)與分散系統(tǒng)的關系圖。左邊是集中式傳統(tǒng)架構,有一個3.3KW車載充電機,400V的輸入到12V的輸出,為車內(nèi)的12V負載供電。右邊是分布式電源架構:轉換器被放置在負載點上,分布式架構取消了車載充電機,并根據(jù)需要在車輛周圍分布電源。這也允許使用冗余電源實現(xiàn)ASIL FUSA。隨著電力需求的增加,管理變得越來越困難,需要取消這些老式的車載充電機。”Wadden說。
 
新的48V PDN支持傳統(tǒng)的12V負載,并可使用傳統(tǒng)線束支持新的大功率驅(qū)動、轉向和制動系統(tǒng)。與體積更大、體積更大的離散解決方案相比,在負載不斷增加的情況高密度模塊更具優(yōu)勢。Vicor提供多款模塊用于48V供電,這些設備包括固定比率和可調(diào)節(jié)的轉換解決方案,支持降壓或升壓模式下的48V和12V負載。這些轉換器可以裝在一個單獨的外殼中,或者使用更小更輕的48V PDN分布在整個車輛上。
 
車載供電系統(tǒng)發(fā)展方向:48V與分布式
圖:集中式與分布式架構區(qū)別(來源:Vicor)
 
車載供電系統(tǒng)發(fā)展方向:48V與分布式
圖:傳統(tǒng)模式和分布式功耗損耗對比,相比而言集中式的功耗損失為分布式的四倍(來源:Vicor)
 
車載供電系統(tǒng)發(fā)展方向:48V與分布式
圖: Vicor解決方案(來源:Vicor)
 
當OEM需要在離負載最近的車輛周圍放置電壓轉換器,或者將48V降到12V或?qū)?2V升壓到48V時,都可以選擇Vicor的NBM系列產(chǎn)品。
 
使用400V和800V充電站時,車輛與任何充電站的兼容性要求轉換解決方案盡可能簡單,但最重要的是高效。NBM6123采用61 x 23mm CM-Chip封裝,提供6.4kW固定比率400V和800V轉換,實現(xiàn)了路邊充電站和不同車輛之間兼容性的可擴展、高效、高密度解決方案。Vicor解決方案的雙向能力允許同一模塊用于升壓或降壓轉換。NBM6123還可用于在充電期間向車輛輸送空調(diào),從而最大限度地減少蓄電池平衡電路。
 
結論
 
如今,汽車電氣化的發(fā)展形式多種多樣,供電系統(tǒng)非常復雜。一輛車有許多不同的系統(tǒng),每個系統(tǒng)可能有不同的動力要求。模塊化電源方法本質(zhì)上更加靈活和可擴展,能夠應對各種挑戰(zhàn)。Vicor的高性能解決方案體積小、重量輕,旨在解決任何系統(tǒng)的電源轉換、充電和輸送問題。
 
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