電動(dòng)汽車需要一款可驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的高壓電池和一款可執(zhí)行必要卸載任務(wù)的改進(jìn)型 12V 電池。

今天的汽車電池要做的遠(yuǎn)不止啟動(dòng)汽車以及讓收音機(jī)一路暢響。過去 10 年，汽車特性和電子產(chǎn)品所需的電量提高了一倍，預(yù)計(jì)未來 5 年還會(huì)繼續(xù)增加。12V 電池不僅負(fù)責(zé)為各種設(shè)備供電，包括加熱座椅和娛樂系統(tǒng)，以及行人探測系統(tǒng)等高級安全特性，而且還負(fù)責(zé)在旅途中維持汽車的電氣網(wǎng)絡(luò)。

電動(dòng)汽車需要一款可驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的高壓電池和一款可執(zhí)行必要卸載任務(wù)的改進(jìn)型 12V 電池。高壓系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，可使用 12V 電池安全初始化高壓電池并為車輛應(yīng)用供電。在行駛過程中，高壓電池為 12V 電池充電并維持負(fù)載。

我們和 Vicor 歐洲、中東及非洲汽車業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Nicolas Richard 一起來分析一下這項(xiàng)技術(shù)的特征。

電力電子新聞：12V 鉛酸電池的未來是什么？

NICOLAS RICHARD：歐洲已頒布法令，2030 年之后，所有新車均不再使用鉛酸電池，這為 OEM 廠商尋找替代解決方案帶來了極大的挑戰(zhàn)。

雖然這看上去是一項(xiàng)極為艱巨的任務(wù)，但它也帶來了巨大的商機(jī)，不僅可消除對環(huán)境有害的鉛酸電池，同時(shí)還可減輕車輛的重量并提高整體效率。此外，還可降低制造商面臨的電池保修成本。

PEN：當(dāng)前汽車上的 12V 電池有什么功能？

RICHARD：12V 電池最重要的作用是為需要大量電源的負(fù)載提供一個(gè)畜電池。車輛典型負(fù)載的流耗有兩種類型：一種是啟動(dòng)，特別是冷曲柄啟動(dòng)，另一種是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。兩者都需要大量電流來為電容器充電或轉(zhuǎn)動(dòng)電樞，但隨后電流降低，作為一個(gè)穩(wěn)態(tài)的蓄電池。

PEN：如果取消 12V 電池，有哪些需要支持的技術(shù)注意事項(xiàng)？

RICHARD：電流斜率或瞬態(tài)響應(yīng)。用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器替換車輛中的 12V 電池，可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電壓下降到足以讓負(fù)載關(guān)閉的水平，從而會(huì)導(dǎo)致車輛重啟。汽車制造商通常需要 250A/ms 來滿足最快負(fù)載需求，12V 電池可達(dá)到這一要求 (75A/30μs)。

PEN：有哪些備選 12V 電池技術(shù)？

RICHARD：將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池是一個(gè)選項(xiàng)。雖然這確實(shí)可略微減輕重量，但也會(huì)保留 12V 配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 幾十年的傳統(tǒng)，產(chǎn)生的額外優(yōu)勢非常有限。另一種選擇是支持由電動(dòng)汽車和混動(dòng)/插電式混動(dòng)汽車的 400V 或 800V 主電池供電 12V PDN。

PEN：這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

RICHARD：只將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池，的確可減輕約 55% 的重量，但對成本影響很大。12V 鋰離子電池需要一套電池管理系統(tǒng)來控制充電，并在汽車使用壽命內(nèi)保持全電池運(yùn)行。

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。

然而，這增加的優(yōu)勢有限。相反，它會(huì)增加重量、車輛總體布置的復(fù)雜性和系統(tǒng)成本，并會(huì)降低車輛的整體可靠性。

相比之下，如果不使用 12V 電池，汽車重量將減輕 13kg，貨艙空間將增大 2.4%。

PEN：哪些負(fù)載將繼續(xù)依賴 12V？

RICHARD：大多數(shù)安全負(fù)載和極低功耗負(fù)載，如客艙 LED 閱讀燈和電動(dòng)車窗等，將保持 12V。水泵和油泵等所有電源負(fù)荷將采用 48V 或高壓。

有很多改善乘坐舒適度的研究正在進(jìn)行。隨著汽車的自動(dòng)化程度越來越高，駕駛員和乘客的旅行體驗(yàn)將變得更像乘坐火車，他們預(yù)計(jì)這種駕乘會(huì)非常平穩(wěn)。實(shí)現(xiàn)這樣的平穩(wěn)駕乘，需要安裝電動(dòng)防傾桿或主動(dòng)懸架等設(shè)備，這些設(shè)備需要大量電源。

PEN：電動(dòng)汽車的主牽引電池可用來為這些負(fù)載供電嗎？

RICHARD：這使得使用牽引電機(jī)電池降壓轉(zhuǎn)換為不同的安全電壓非常有意義，牽引電機(jī)電池是車輛中最大的能源。電動(dòng)汽車的牽引電機(jī)電池一般是 400V 或 800V。

解決該問題的更好方法是完全重新考慮車輛中的 PDN：取消物理 12V 電池，用電動(dòng)車主電池的 12V“虛擬”電池替換。

理想的汽車架構(gòu)是用一款高壓電池來為傳動(dòng)系統(tǒng)和所有輔助負(fù)載供電，前提是它能滿足必要的瞬態(tài)響應(yīng)要求。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）直接從高壓電池虛擬化出來。

模塊化電源方法結(jié)合創(chuàng)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 12V 鉛酸電池 (75A/30μs) 的電流科率 — 瞬態(tài)響應(yīng)。使用電源模塊和正弦振幅轉(zhuǎn)換器，可以處理數(shù)千安培從高壓電池到負(fù)載的電流，從而可消除所有壓降或負(fù)載失控。

PEN：這樣做的好處是什么？

RICHARD：主要優(yōu)點(diǎn)是只有一個(gè)電池，可減輕重量。此外，還可簡化架構(gòu)、降低整體裝配要求，這對于沉重的 12V 電池來說可能會(huì)很復(fù)雜。

這種方法還可降低汽車 OEM 廠商的保修成本。12V 電池保修期通常為 3 年。在此期間，如果出現(xiàn)故障，換件的責(zé)任就落在汽車制造商肩上了，這可能會(huì)帶來高昂的成本。

Vicor 模塊化方法允許工程師通過使用三到四個(gè)不同類型的可擴(kuò)展構(gòu)件塊模塊，實(shí)現(xiàn)大約 300 種供電組合。從小型城市汽車到大型 SUV 的各種車型，都可以使用相同的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器從一個(gè)通用電源平臺(tái)供電。擴(kuò)展只涉及添加更多電源模塊。

這種設(shè)計(jì)方法不僅可節(jié)省數(shù)百個(gè)小時(shí)的工作時(shí)間，而且還可節(jié)省大量資源，使 OEM 廠商走在電氣化競爭的最前面。

PEN：使用這種方法，需要考慮的主要注意事項(xiàng)是什么？

RICHARD：基于分立式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的傳統(tǒng) PDN 可能由 200 多個(gè)體積龐大的組件組成，然而 Vicor 先進(jìn)技術(shù)則只提供單個(gè)高密度電源模塊。對于工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說，當(dāng)一款模塊需要認(rèn)證，與相同功能的 200 多款獨(dú)立組件需要認(rèn)證相比較時(shí)，會(huì)節(jié)省大量的時(shí)間。

PEN：實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要什么額外的架構(gòu)或組件？

RICHARD：不需要額外的組件，因?yàn)楦邏旱?12V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器已是電動(dòng)汽車的重要組件。Vicor 技術(shù)可帶來額外的特性，因?yàn)橐瞥?12V 電池會(huì)產(chǎn)生快速瞬態(tài)響應(yīng)。

此外，Vicor 還在進(jìn)行組件冗余研究，以提高功能安全性。

PEN：Vicor 為這種應(yīng)用提供了什么解決方案？

RICHARD：Vicor BCM? 母線轉(zhuǎn)換器采用零電壓、零電流開關(guān) (ZVS/ZCS) 技術(shù)，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 工作頻率為 1.2 MHz，與常規(guī) ZVS/ZCS 諧振轉(zhuǎn)換器不同，其工作在窄帶頻率下。BCM 的高頻率工作可針對負(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 8MA）和低阻抗路徑可共同幫助 BCM 使高壓電池看起來像 48V 電池，我們將其稱為“變壓”。與常規(guī)轉(zhuǎn)換器相比，這種對電源進(jìn)行變壓的功能既是重要優(yōu)勢，也是重要的差異化特性。

本文最初由 Power Electronics News 發(fā)表。

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 4 年的現(xiàn)場應(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。

Nicolas Richard

Nicolas Richard, Vicor 歐洲汽車業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)