沒(méi)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(lái)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(lái)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(lái)連接高壓,、48V 和 12V PDN 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(lái)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 12V PDN 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 12V PDN,。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(lái)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 12V PDN 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 12V PDN 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(lái)看，無(wú)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 12V PDN,，需要穩(wěn)壓才能為電池充電，在啟動(dòng)事件中保持無(wú)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(guò)了 12V 電源限制，近年來(lái)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(wèn)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(wú)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(lái)。

　　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(kāi)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(guò)  8MA）和低阻抗路徑相結(jié)合，可幫助 BCM 使高壓電池看起來(lái)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(wàn)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(kāi)關(guān)模塊在 AC 與 DC 之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。開(kāi)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 61 x 35 x 7 毫米封裝提供 2.5kW 的電源,，峰值效率超過(guò) 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,。BCM6135 1/8 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 VDA 320 和 LV 124 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(pán)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(guò)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(lái)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(wú)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。

　　Nicolas Richard

　　Vicor 歐洲汽車業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)

　　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(lè)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(guò) 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(kāi)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(mén)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,。