车载供电系统发展方向:48V与分布式

2020-08-20来源: EEWORLD关键字:Vicor  48V

特斯拉股价持续高涨,证明了电动汽车/混动汽车的前景,也证明了市场需要更绿色/节能的出行方式。传统燃油汽车也好,电动汽车也好,为了减轻系统功耗,都在努力尝试在动力系统中直接增加48V直流(DC)总线系统。


采用48V的好处有哪些?从欧姆定律来看,电压越高电流越小,导线的损耗和散热就越小,这也是为何电网采用高压输配电的原因。对于汽车而言,目前的12.6V铅酸电池是一个传承久远的折中方案,可以兼顾体积、容量、成本、寿命和安全等因素。


然而现在的汽车需要比几年前的汽车拥有更多的电子设备,除了发动机、灯、收音机、电动天窗、电动助力转向、网络和信息娱乐等基本功能,现在还会集成很多其他安全便捷的功能,尤其是高功耗的ADAS系统,如果继续采用12V电源的话,会造成线束的发热和损耗,如果采用更粗的线束,又无法满足汽车轻量化及成本要求。


48V供电系统诞生


与传统的12V铅酸电池不同,48V电池采用了锂电池系统,具有更高的重量和体积能量密度。


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在某些方面12V/48V微混系统是一个折中的方案,但与其他折中方案不同,这种方案有很多的优势,降低成本,提升效益和回报率(来源:Delphi科技)


在这种方法中,48V电池——按照汽车标准LV148的规定——作为补充与12V铅酸电池结合使用(这样能够提供3KW的额定功率)。12V电池和48V电池将连同他们的配电线束一起使用,在需要功率输出的时候两块电池都提供能量输出,比如12V总线可以为点火、照明和信息娱乐系统提供电源,而48V总线将负责底盘控制系统、空调、调整悬架、回收制动能量、驱动电动增压器和涡轮等。


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双电压微混方式将有效分配电压和可用的功率,从效率和运行的角度来看这是最有意义的(来源:Delphi科技)


考虑一个基本组件:发动起启动器,48V电池如何改变发动机启动器的基本架构,从而更好的增强启停效果,这种方式有利于减少在红绿灯和停车等待时的燃油消耗,进一步增强燃油效率。在大多数只有12V电池的汽车中电池为启动器提供动力,交流发电机作为充电器,然而48V和12V的组合使用可以提供高达10KW的功率,启动电机和独立的交流发电机被集成的启动发电机(ISG)或带式启动发电机所取代,48V锂离子电池和双向DC/DC转换器会被封装在坚固的盒子内,这其实是一种弱混动力系统,与内燃机协同工作。它可以提供三分之二的好处,但是只有三分之一的成本,而经济效益增加了15%到20%。


为什么是48V和12V


10几年前,业界关于24V的讨论非常的激烈,一些主要厂商甚至已经开始生产24V连接器、开关、继电器和其他基础部件。此外关于汽车是否应该完全淘汰12V电池仅采用24V电池,还是让它们共存,这个争论一直未解决。但是24V电压无法更好地体现高总线电压所带来的优势。


同时,在大多数地区超过60V的直流电压被认为是不安全的,需要特殊的接线注意事项、安全锁、使用导管和物理屏蔽等。所以目前48V成为了主流标准,48V系统的峰值会低于60V,也就是满足安全要求,从而减少了安全认证等步骤。


电源管理的难题


除了48V之外,电动汽车还有800V/400V的动力电池系统,这些高压系统都给功率电子设计带来了更多难题。


“今天电气化面临的挑战是:降低成本,减少二氧化碳排放以及电源管理需求的变化,为传统的12V负载供电,为更轻、性能更高的车辆提高功率水平,加快充电时间,以及管理800V和400V电池系统。”Vicor 汽车业务发展全球副总裁Patrick Wadden说。


汽车、卡车、公共汽车和摩托车的制造商都在尝试采用更多的电力电子,以提高内燃机的燃油效率并减少二氧化碳排放。有许多电气化选择,但大多数制造商选择48伏的轻度混合动力系统,而不是全混合动力系统。在轻度混合动力系统中,除了传统的12V电池外,还增加了48V电池。


“当车上有一个800V或400V的供电电池时。Vicor可以直接将800V或400V转化为48V,为电动涡轮、挡风玻璃和冷却泵等负载供电。这样通过创建48V供电总线,可以完全取消48V锂电池供电系统,为OEM提供了更高的功率密度,同时减轻了重量和尺寸,并且这些解决方案完全可扩展,支持从入门级到豪华级的各种需求。


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图:启用虚拟48V电池(来源:Vicor)


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图:从12V切换到48V的系统(来源:Vicor)


48V技术可有效分配电力


48V技术可将功率容量提高4倍(P=V*I),可用于较重负载,如启动时的空调和催化转化器。为了提高车辆性能,48V系统可以为混合动力汽车提供动力,在节省燃油的同时实现更快、更平稳的加速。


Wadden说:“最大挑战是人们面对新技术的犹豫不决,对于汽车工业来说,48V轻度混合动力系统提供了一种快速引入新车辆的方法,这种方法排放量低、续航里程长、耗油量高,而且具有实用性。它还提供了新的、令人兴奋的设计选项,以实现更高的性能和功能,同时还能减少二氧化碳排放。”


绝大多数集中式DC-DC转换器体积大、重量重,因为它们使用旧的PWM低频开关拓扑,所以业界也很少有更换的需求。一个更为先进的体系结构是使用电源模块和分布式的电源轨。


Wadden说:“使用分散式模型的好处可以在系统级实现,在车辆周围使用更轻的电缆:将转换器放置在离负载最近的位置有一些好处,可以最小化阻抗和电阻,简化冷却方法,在某些情况下甚至可以消除冷板或液体冷却。通过更多的选择和灵活性来实现功能安全。”


这种电源传输架构使用更小、功耗更低的48V-12V转换器,因此分布式电源结构在电源系统中提供了显著的热管理优势。


“让我们看一个集中系统与分散系统的关系图。左边是集中式传统架构,有一个3.3KW车载充电机,400V的输入到12V的输出,为车内的12V负载供电。右边是分布式电源架构:转换器被放置在负载点上,分布式架构取消了车载充电机,并根据需要在车辆周围分布电源。这也允许使用冗余电源实现ASIL FUSA。随着电力需求的增加,管理变得越来越困难,需要取消这些老式的车载充电机。”Wadden说。


新的48V PDN支持传统的12V负载,并可使用传统线束支持新的大功率驱动、转向和制动系统。与体积更大、体积更大的离散解决方案相比,在负载不断增加的情况高密度模块更具优势。Vicor提供多款模块用于48V供电,这些设备包括固定比率和可调节的转换解决方案,支持降压或升压模式下的48V和12V负载。这些转换器可以装在一个单独的外壳中,或者使用更小更轻的48V PDN分布在整个车辆上。


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图:集中式与分布式架构区别(来源:Vicor)


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图:传统模式和分布式功耗损耗对比,相比而言集中式的功耗损失为分布式的四倍(来源:Vicor)


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图: Vicor解决方案(来源:Vicor)


当OEM需要在离负载最近的车辆周围放置电压转换器,或者将48V降到12V或将12V升压到48V时,都可以选择Vicor的NBM系列产品。


使用400V和800V充电站时,车辆与任何充电站的兼容性要求转换解决方案尽可能简单,但最重要的是高效。NBM6123采用61 x 23mm CM-Chip封装,提供6.4kW固定比率400V和800V转换,实现了路边充电站和不同车辆之间兼容性的可扩展、高效、高密度解决方案。Vicor解决方案的双向能力允许同一模块用于升压或降压转换。NBM6123还可用于在充电期间向车辆输送空调,从而最大限度地减少蓄电池平衡电路。


结论


如今,汽车电气化的发展形式多种多样,供电系统非常复杂。一辆车有许多不同的系统,每个系统可能有不同的动力要求。模块化电源方法本质上更加灵活和可扩展,能够应对各种挑战。Vicor的高性能解决方案体积小、重量轻,旨在解决任何系统的电源转换、充电和输送问题。

关键字:Vicor  48V 编辑:冀凯 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qcdz/ic507024.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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