轎車,、卡車,、公交車及摩托車制造商都在快速為其車輛實現(xiàn)電氣化,，以提高內(nèi)燃機(jī)的燃油效率，減少二氧化碳排放,。電氣化選擇很多，但大多數(shù)制造商都沒有選擇完全混合動力總成,，而是選擇 48 伏輕度混合動力系統(tǒng),。輕度混合動力系統(tǒng)除了有傳統(tǒng) 12V 電池之外，還新增了一款 48V 電池,。
這可增加 4 倍的電量 (P = V ? I),，用于催化式排氣凈化器等重負(fù)荷。48V 系統(tǒng)可為混合動力發(fā)動機(jī)供電,，在節(jié)省燃油的同時,，更快、更平穩(wěn)的加速,，以提高車輛性能,。額外的電源不僅可為轉(zhuǎn)向、剎車以及懸架系統(tǒng)提供支持,，而且還可增加新的安全,、娛樂及舒適特性。
引入 48 伏輕度混合動力系統(tǒng),，一旦完成設(shè)計,，會有很大的優(yōu)勢?？朔﹂L期存在的 12 伏供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 進(jìn)行改造的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn),。改變供電通常需要必須進(jìn)行大量測試的新技術(shù)，而且可能還需要能夠按汽車產(chǎn)業(yè)的高安全性及高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)供電的全新供應(yīng)商,。
但數(shù)據(jù)中心行業(yè)在轉(zhuǎn)向 48V PDN 的過程中發(fā)現(xiàn),，這樣做的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了轉(zhuǎn)換成本。對于汽車產(chǎn)業(yè)來說，48V 輕度混合動力系統(tǒng)帶來了快速推出排放更低,、行駛里程更遠(yuǎn),、油耗更低的全新車輛的途徑。此外,，它還可為提高性能特性并減少二氧化碳排放提供令人振奮的全新設(shè)計選項,。
如何最大化 48V 供電網(wǎng)絡(luò)
增加 48V 電池，為更重的動力總成及底盤系統(tǒng)負(fù)載供電,，可為工程師提供各種選項?，F(xiàn)在有一個增加系統(tǒng)的選擇，可以直接處理 48V 輸入,，也可以保留泵,、風(fēng)扇和電機(jī)等原有 12V 機(jī)電負(fù)載，無需通過穩(wěn)壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 48V 轉(zhuǎn)換成 12V,。為了管理變革與風(fēng)險,，現(xiàn)有輕度混合動力供電系統(tǒng)逐漸增加 48V 負(fù)載的同時，仍使用大型集中式數(shù)千瓦 48V 至 12V 轉(zhuǎn)換器,，將整個汽車的 12V 電源提供給 12V 負(fù)載,。然而，這種集中式架構(gòu)不僅沒有完全利用 48V PDN 的優(yōu)勢,，而且也沒有利用現(xiàn)在可用的高級轉(zhuǎn)換器拓?fù)?、控制系統(tǒng)與封裝的優(yōu)勢。
圖 1 傳統(tǒng) 12V 集中式架構(gòu) 圖 2 48V分布式架構(gòu)
這些集中式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（圖 1）絕大多數(shù)都很笨重,，因為它們使用較早的低頻率開關(guān) PWM 拓?fù)?。此外，它們也會為大量關(guān)鍵動力總成系統(tǒng)帶來單點故障,。
另外一種需要考慮的架構(gòu)是使用模塊化電源組件進(jìn)行分布式供電（圖 2）,。該供電架構(gòu)使用更小、更低功耗的 48 至 12V 轉(zhuǎn)換器,，在整個接近 12V 負(fù)載的車輛中配電,。簡單的功率方程式 P = V ? I 和 PLOSS = I2R 就可以說明為什么 48V 配電比 12V 更高效。
對于給定功率級而言,，與 12V 系統(tǒng)相比,，48V 系統(tǒng)電流低四倍、功耗低 16 倍,。在 1/4 的電流下，電纜和連接器可能會更小,、更輕,，而且成本也會更低。此外，分布式電源架構(gòu)還有顯著的熱管理及電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢（圖 4）,。
圖 3 標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率為 94% 圖 4 Vicor DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率為 98%
分布式架構(gòu)的模塊化組件優(yōu)勢
分布式供電（圖 5）的模塊化方法具有高度的可擴(kuò)展性,。
圖 5 混合動力電動車的模塊化方法
電池的 48V 輸出分配給車內(nèi)各種高功率負(fù)載，從而可使更低電流（4 倍）及更低功耗（16倍）的優(yōu)勢最大化,，帶來更小,、更輕的 PDN。根據(jù)不同分布式負(fù)載的負(fù)載電源分析,，可以設(shè)計一個模塊并對其進(jìn)行適當(dāng)功率粒度及擴(kuò)展性認(rèn)證,，用于并行陣列。
本實例中是 2kW 模塊,。如前文所述,，粒度和可擴(kuò)展性主要看系統(tǒng)。通過使用分布式模塊代替大型集中式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,，N+1 冗余也能夠以顯著降低的成本實現(xiàn),。如果負(fù)載功耗在汽車開發(fā)階段有變，該方法依然有優(yōu)勢,。工程師可以增減模塊,，無需對整個完成的定制電源進(jìn)行修改。另一個設(shè)計優(yōu)勢是縮短開發(fā)時間,，因為模塊已獲得批準(zhǔn)和認(rèn)證,。
在更高電壓的電池系統(tǒng)中實施分布式模塊化 48V 架構(gòu)
圖 6 純電動車的模塊化方法
純電動車或高性能混合動力車可使用高電壓電池，因為動力總成和底盤系統(tǒng)功率需求很高,。48V SELV PDN 對于 OEM 廠商而言依然有顯著的優(yōu)勢,，但是現(xiàn)在，電源系統(tǒng)設(shè)計人員有了額外的挑戰(zhàn),，即高功率 800V 或 400V 至 48V的 轉(zhuǎn)換,。
此外，這款高功率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器還需要隔離,，但不需要穩(wěn)壓,。分散 48V 至 12V 轉(zhuǎn)換器布置的一大優(yōu)勢是更好的穩(wěn)壓。上游高功率轉(zhuǎn)換器可通過使用穩(wěn)壓 PoL 轉(zhuǎn)換器,，使用固定比率拓?fù)?。這具有極大的優(yōu)勢，因為 16:1 或 8：1 的寬輸入至輸出電壓范圍分別適用于 800/48 和 400/48,。在該范圍內(nèi)使用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器不僅效率很低,，而且還會給熱管理帶來很大的問題。
由于400V 或 800V 配電時的安全要求,，分散布置這款高電壓隔離轉(zhuǎn)換器不僅非常困難,，而且成本還很高,。然而，高功率集中式固定比例轉(zhuǎn)換器可使用電源模塊取代大型“銀盒”DC-DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計,。
可以開發(fā)具有適當(dāng)粒度及可擴(kuò)展性的電源模塊,，然后進(jìn)行輕松并聯(lián)，用于具有不同動力總成及底盤電氣化要求的廣泛車輛,。此外,，Vicor 固定比率母線轉(zhuǎn)換器 (BCM?) 還是雙向的，支持各種能源再生方案,。BCM 采用正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC?) 高頻率軟開關(guān)拓?fù)?，可實現(xiàn) 98％ 以上的效率。它們還具有 2.6kW/in3 的功率密度,，可顯著縮小集中式高電壓轉(zhuǎn)換器的尺寸,。
Vicor 是汽車市場的供應(yīng)商，可提供最先進(jìn)的創(chuàng)新 48V 解決方案,。汽車供電架構(gòu)的分布式模塊化方法可簡化復(fù)雜的供電挑戰(zhàn),，從而可提高性能和生產(chǎn)力，縮短上市時間,。Vicor 是 48V 電源轉(zhuǎn)換的領(lǐng)導(dǎo)者,，不斷為供電架構(gòu)、電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?、控制系統(tǒng)及封裝實現(xiàn)創(chuàng)新,。