電源模組在過渡到48V區域架構之際提供決定性優勢
- 李佳玲／台北
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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。
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。
