為了滿足先進(jìn)汽車系統(tǒng)的需求，減輕重量，減少占用的空間，采用 48V 區(qū)域架構(gòu)已成為一種有吸引力的選擇。

汽車系統(tǒng)正遷移到更高電壓

48V 系統(tǒng)的功率和重量?jī)?yōu)勢(shì)

在電動(dòng)汽車中部署區(qū)域電源架構(gòu)

汽車的發(fā)展一直處于顛覆性變化和增長(zhǎng)的狀態(tài)，且沒有放緩的跡象。從汽車如何移動(dòng)，到如何與乘客及其他車輛互動(dòng)，每一個(gè)方面都在發(fā)生變化。這一點(diǎn)不僅適用于汽車本身，還適用于周圍的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，從電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)到智慧城市的互動(dòng)。

在汽車電氣化方面，切換動(dòng)力來(lái)源并用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛是簡(jiǎn)單直接的方面。但要開發(fā)下一代電動(dòng)汽車，必須全面考慮整車的設(shè)計(jì)。

例如，在依靠?jī)?nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的傳統(tǒng)燃油車中，通常有一個(gè)交流發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)組，發(fā)電量通常超出汽車所需的平均水平。這些系統(tǒng)通常根據(jù)具體設(shè)計(jì)提供低至 12V 或 24V 的電源。

因此，汽車電源設(shè)計(jì)工程師的工作相對(duì)簡(jiǎn)單，他們大致知道汽車需要多少電力，并且知道這不會(huì)限制車輛的行駛距離或速度。然而，對(duì)于現(xiàn)在的電動(dòng)汽車，情況突然發(fā)生了變化，開燈或聽收音機(jī)會(huì)影響到續(xù)航里程。這就迫使汽車設(shè)計(jì)師進(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)殡姵刂械碾娏纫糜隍?qū)動(dòng)車輛，也會(huì)用于其他用途，這樣會(huì)縮短續(xù)航里程。

為什么說(shuō)更高的電壓對(duì)現(xiàn)代電動(dòng)汽車系統(tǒng)至關(guān)重要

現(xiàn)代電動(dòng)汽車的一個(gè)重要方面是它們使用更高的電壓，通常為 400V 或 800V。高壓是一種安全隱患，因此車輛設(shè)計(jì)師必須考慮高壓區(qū)域與接觸點(diǎn)或司乘人員所在位置的關(guān)系。

大多數(shù)電動(dòng)汽車的車內(nèi)工作電壓為 12V。盡管多年來(lái) 48V 一直是汽車界的目標(biāo)，但這需要設(shè)計(jì)全新的發(fā)電機(jī)，以及 48V 泵、壓縮機(jī)、雨刷電機(jī)等，因此其發(fā)展一再被延誤，直到最近才有所改觀。

現(xiàn)在，汽車行業(yè)可以開始在車輛配電網(wǎng)絡(luò)中利用 48V 的優(yōu)勢(shì)。然而，汽車設(shè)計(jì)的核心最終仍然歸結(jié)為汽車行業(yè)的兩個(gè)關(guān)鍵詞：成本和重量（見圖 1）。48V 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于主電纜更小，銅用量更少，意味著它們重量更輕，成本更低。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是這些電纜的線徑要小得多，因此車內(nèi)的物理布線更加容易。

圖 1：成本和重量是汽車原始設(shè)備制造商考慮的主要因素。48V 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于主電纜更小，銅用量更少，這意味著汽車重量更輕，成本更低。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是這些電纜的線徑要小得多，因此車內(nèi)的物理布線要容易得多。

采用 48V 電源架構(gòu)，再加上區(qū)域電源架構(gòu)的出色能力，我們就可以使用三或四個(gè)區(qū)域控制器最大限度地減少控制系統(tǒng)和通信電纜，而不是將數(shù)十個(gè)芯片分散安裝在整個(gè)車輛中。這樣還可以幫助設(shè)計(jì)師將最大的負(fù)載先轉(zhuǎn)換為 48V，從而降低開發(fā)和驗(yàn)證新的 48V 雨刷電機(jī)或前端照明系統(tǒng)的成本。

在配電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施區(qū)域架構(gòu)，就可以靈活地將部分負(fù)載轉(zhuǎn)換到 48V，同時(shí)在汽車的前后端及信息娛樂系統(tǒng)中仍使用 12V 電源。在這種混合配電系統(tǒng)中，核心電源為 48V，只是在需要時(shí)在局部轉(zhuǎn)換為 12V。這就像嵌入式系統(tǒng)中使用的最新板級(jí)配電架構(gòu)。

電動(dòng)汽車的電壓轉(zhuǎn)換策略

面對(duì)將高壓（HV）（800V 或 400V）轉(zhuǎn)換為 48V，再轉(zhuǎn)換為 12V 的挑戰(zhàn)，有幾種解決方法。傳統(tǒng)方法使用大量分立元件，占用的空間非常大。現(xiàn)在，一種新方法是利用高功率計(jì)算系統(tǒng)中采用的微型化技術(shù)，并將其改造用于汽車，以滿足汽車的所有電壓轉(zhuǎn)換需求。

將電壓降至 48V 時(shí)的一個(gè)問題是如何為終端負(fù)載（無(wú)論是非穩(wěn)壓負(fù)載還是穩(wěn)壓負(fù)載）提供所需的電力。另一個(gè)方面是如何管理能量回收制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)電。在這個(gè)環(huán)節(jié)，雙向轉(zhuǎn)換解決方案非常重要，以便將能量回收制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出的 48V 電回饋到電路和電池中。

這一點(diǎn)也適用于其他高級(jí)子系統(tǒng)，如具有能量回收功能的主動(dòng)懸掛和主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它們可能需要 48V 電壓，也可能將 48V 電壓反饋回電池。

例如，Vicor 的 BCM母線轉(zhuǎn)換器本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能。它們可以在無(wú)需控制步驟的情況下完成升壓或降壓，自動(dòng)從降壓切換到升壓，或從升壓切換到降壓。這些轉(zhuǎn)換器可以感知想要的電流方向并做出反應(yīng)。

Vicor 的 BCM 是高密度、高效的固定比率（非穩(wěn)壓）隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊，采用 ChiP或 VIA 封裝。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了冷卻，同時(shí)提供 PMBus控制、EMI 濾波和瞬態(tài)保護(hù)功能。

它們的輸入電壓為從 800V 到 48V，支持各種 K 因子，以支持包括汽車在內(nèi)的多種應(yīng)用。利用 Vicor 公司的的正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）拓?fù)洌邏?BCM ChiP 能夠?qū)崿F(xiàn) 98% 的峰值效率，功率密度高達(dá) 147,000W/l3。這些 BCM 可以輕松并聯(lián)成高功率陣列，且輸出可以串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓。BCM 本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能，使設(shè)計(jì)人員能夠減少負(fù)載所需的大容量電容。

因此，系統(tǒng)如何在車內(nèi)完成降壓、升壓和切換非常重要，特別是當(dāng)考慮家庭到車輛到家庭、車輛到電網(wǎng)到車輛等先進(jìn)應(yīng)用時(shí)尤其如此。汽車的電力電子設(shè)備必須繼續(xù)發(fā)展，以支持這些需求和其他新興的跨平臺(tái)功能。

另一個(gè)例子是 NBM系列固定比率（非穩(wěn)壓）、非隔離雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些模塊提供了一個(gè)完整的 DC-DC 解決方案，且不需要外部輸入濾波器或大容量電容。NBM2317 具備內(nèi)置熱插拔功能和浪涌電流限制，且其低輸出阻抗可支持快速瞬態(tài)響應(yīng)。NBM 系列轉(zhuǎn)換器采用通孔轉(zhuǎn)換器封裝（ChiP）和表面貼裝（SM-ChiP）封裝。

48V 系統(tǒng)的功率和重量?jī)?yōu)勢(shì)

線束的重量是向 48V 汽車過渡的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素，也是向 48V 子系統(tǒng)和電機(jī)過渡的眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一。電壓越高，電機(jī)越強(qiáng)大、越節(jié)能，并且可以幫助縮減主電源線的尺寸。這樣還可以大幅度節(jié)約成本，因?yàn)檐囕v線束的電線長(zhǎng)度可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)百英尺。而且，更細(xì)、更輕的線束也更容易集成到車輛及其子系統(tǒng)中。

除了減輕主配電網(wǎng)絡(luò)和線束的重量外，它還可以改善熱管理，因?yàn)橄到y(tǒng)的效率更高，散發(fā)的熱量更少。在電動(dòng)汽車中，熱管理對(duì)于保持電池冷卻非常重要，因?yàn)殡姵貙?duì)溫度非常敏感。此外，如果能夠有效地管理溫度，避免系統(tǒng)內(nèi)部故障和失效，其他電氣系統(tǒng)的運(yùn)行壽命會(huì)更長(zhǎng)。

如果能夠通過提高效率節(jié)省 100 瓦的功率，那么對(duì)燃油車來(lái)說(shuō)可以將每公里的二氧化碳排放減少 1 克，或者將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程增加多達(dá) 10 公里。

在 48V 電動(dòng)汽車供電網(wǎng)絡(luò)中部署區(qū)域架構(gòu)

在采用 800V 饋電的區(qū)域架構(gòu)中，我們可以在車頭到車尾的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換，將電壓降低到 48V。而在車輛中負(fù)載所在的位置上，我們可以在本地將 48V 電壓降壓到 12V。您只需左前和右前兩個(gè)區(qū)域，而無(wú)需使電線貫穿整個(gè)車輛。然后，您可以將負(fù)載連接到這些區(qū)域。隨后，在車輛后部使用 48V 主系統(tǒng)進(jìn)行相同的操作，并連接本地 12V 負(fù)載。這樣還可以使整個(gè)汽車的設(shè)計(jì)更加靈活，可以滿足未來(lái)需求，在車輛遷移到其他電壓和功率水平時(shí)適應(yīng)各種變化。

例如，想象一個(gè)基于 Vicor BCM、DCM和 PRM設(shè)備的區(qū)域架構(gòu)——這些設(shè)備在一個(gè)陣列中工作（見圖 2）。它們可以相互通信并共享電流，以避免出現(xiàn)一個(gè)設(shè)備過載而另一個(gè)設(shè)備負(fù)載不足的情況。這樣就可以更輕松地?cái)U(kuò)大或縮小電源系統(tǒng)的規(guī)模，而無(wú)需進(jìn)行大量重新設(shè)計(jì)工作。

圖 2：48V 區(qū)域架構(gòu)（右側(cè)）可以縮減尺寸和重量，同時(shí)提高能效。例如，線規(guī)可以從 10 號(hào)線縮小到 4 號(hào)線，進(jìn)而大大減輕重量，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。通過將 Vicor DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器分散到不同區(qū)域，還可以大幅度減少散熱，減輕冷卻系統(tǒng)的負(fù)載。最終，與集中式架構(gòu)（左側(cè)）相比，功率損耗可以減少 60%。

這種方法也適用于系統(tǒng)中仍有一個(gè)小型 12V 電池以滿足功能安全要求的車輛——確保車輛的智能部分正常運(yùn)行以保證安全狀態(tài)。

因此，通過這三種設(shè)備，系統(tǒng)可以將高壓 800V 電池的電壓轉(zhuǎn)換為 48V，而且可以進(jìn)一步降壓到穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓的 12V 電壓。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是零電壓開關(guān)，瞬態(tài)電流可達(dá)到每秒數(shù)百萬(wàn)安培。

由于開關(guān)速度非常快，系統(tǒng)可以從高壓電池快速為負(fù)載供電，就像它們帶有額外的低壓電池一樣。制造商可以將節(jié)約下來(lái)的空間和重量用于其它目的。

電氣化將使原始設(shè)備制造商能夠?qū)⑵滠囕v過渡到 48V 的配電網(wǎng)絡(luò)，利用 Vicor 的高功率密度 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊等技術(shù)創(chuàng)建 48V 系統(tǒng)。區(qū)域架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)面向未來(lái)的設(shè)計(jì)，幫助根據(jù)當(dāng)前和未來(lái)的功率需求進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展或縮減。