電源模組在過渡到48V區域架構之際提供決定性優勢 智慧應用 影音
DForumFactory
DForum0322

電源模組在過渡到48V區域架構之際提供決定性優勢

  • 李佳玲台北

圖 1:傳統 12V 集中式架構使用較粗的佈線,支援單點轉換(銀盒)至 12V,這本身就比區域(zonal)架構重,效率更低。Vicor
圖 1:傳統 12V 集中式架構使用較粗的佈線,支援單點轉換(銀盒)至 12V,這本身就比區域(zonal)架構重,效率更低。Vicor

汽車、卡車、公共汽車及摩托車製造商正在快速實現車輛電氣化以減少CO2排放。OEM廠商在採用多種方法實現電氣化,混合動力系統、插電式混合動力汽車(PHEV)和純電動汽車(BEV)是主要的電氣化途徑。雖然混合動力和PHEV動力系統保留了內燃機,並與基於交流發電機的 12V PDN緊密相連,但純電動汽車平台為OEM廠商設計純電動汽車的PDN提供了全新的思路。然而,人們對於修改長期存在的12V供電網路 (PDN)卻普遍猶豫不決。變革通常需要經過廣泛測試的新技術,可能還需要能夠提供汽車產業高安全及高品質標準的全新提供商。

使用電源模組最大化48V PDN

圖 2:48V 區域架構(zonal architecture)在整個車輛中使用較細的 10 號線,可將纜線重量銳減 85%。此外,分散 48V 至 12V 的轉換點,還可在端點使用電源模組實現高效對流散熱。Vicor

圖 2:48V 區域架構(zonal architecture)在整個車輛中使用較細的 10 號線,可將纜線重量銳減 85%。此外,分散 48V 至 12V 的轉換點,還可在端點使用電源模組實現高效對流散熱。Vicor

圖 3:標準 DC-DC 轉換器的效率只有 94%,部分原因是集中式外殼內的品質轉換很難散熱,會影響效率。此外,這種傳統方法還會在車輛中佔用更大的系統空間。Vicor

圖 3:標準 DC-DC 轉換器的效率只有 94%,部分原因是集中式外殼內的品質轉換很難散熱,會影響效率。此外,這種傳統方法還會在車輛中佔用更大的系統空間。Vicor

圖 4:Vicor DC-DC 轉換器效率為 98%。區域架構不僅運行更細、更輕的纜線,而且還將轉換從車輛的中心位置轉移到了端點區域。精巧的電源模組在負載位置將 48V 轉換為 12V,透過分散轉換點,實現對流散熱並提高轉換效率。Vicor

圖 4:Vicor DC-DC 轉換器效率為 98%。區域架構不僅運行更細、更輕的纜線,而且還將轉換從車輛的中心位置轉移到了端點區域。精巧的電源模組在負載位置將 48V 轉換為 12V,透過分散轉換點,實現對流散熱並提高轉換效率。Vicor

圖 5:電源模組結構精巧、重量輕,擴充極為便捷。Vicor

圖 5:電源模組結構精巧、重量輕,擴充極為便捷。Vicor

在純電動汽車平台中,電源是高壓(HV)(400 或 800V)電池,該高電壓需要降至60V以下的安全超低電壓(SELV)。SELV的第一個工作等級為48V,或者OEM廠商也可將電源降至24V或12V,用於汽車 PDN。現在可以選擇新增能直接處理48V輸入的系統,也可以保留泵、風扇和電機等傳統12V機電負載,而透過DC-DC穩壓轉換器將48V轉換成12V。為了管理變化和風險,現有純電動汽車供電系統正在逐漸增加48V負載,但仍然使用大型集中式數千瓦高壓至12V的轉換器,為整個汽車提供12V電源。然而,這種集中式架構沒有完全利用48V PDN的優勢,也沒有利用可用的先進轉換器拓撲、控制系統和封裝的優勢。

這些集中式DC-DC轉換器(圖 1)絕大多數都很笨重,因為它們使用較早的低頻率PWM切換拓撲。此外,對於大量重要供電鏈系統來說,他們也代表了單點故障。這些集中式系統還將熱負荷集中在一個點上,需要一套很大的散熱系統(圖 3)。

需要考慮的另一種架構是使用模組化電源元件的區域供電(圖 2)。該供電架構使用更小、更低功耗的48 至12V轉換器,在車輛各處接近12V負載的地方配電。簡單的功率方程式P = V • I 和 PLOSS = I2R就可以說明為什麼48V配電比12V更高效。

對於給定功率等級而言,48V時的電流是12V的四分之一,功耗(I2R)為1/16。在¼電流下,纜線和連接器可以更小、更輕,而且成本也會更低。此外,區域電源架構還具有顯著的熱管理及電源系統備援優勢(圖 4)。這是為整個車輛中傳輸數千瓦電源的另一種途徑,無需考慮傳統DC-DC轉換器的重量、散熱問題和體積。

區域架構的模組化可最佳化效率

使用模組化方法進行分散式供電(圖 4)具有高度的可擴充性。電池的48V輸出分配給車內各種高功率負載,最大限度提高了更低電流(4 倍)及更低功耗(16倍)的優勢,從而實現了更小、更輕的PDN。根據對各種分散式負載的負載功率分析,可針對適當的功率進行模組設計和認證,然後可透過將其用於並聯陣列來調高系統功率等級。

本實例展示的是一個2kW模組。如前文所述,顆數和可擴充性根據系統而定。將模組分散至端點區域,而不是使用大型集中式DC-DC轉換器,能以更低的成本實現N+1冗餘。如果負載功耗在汽車開發階段發生變化,這種方法也有優勢。工程師可以增減模組,無需對整個完成的客製化電源進行修改。此外,該模組已經獲得核准和認證,可減少開發時間。

實施可擴充區域分佈模組化48V架構

純電動汽車或高性能混合動力車可使用高電壓電池,因為動力和底盤系統電源需求很高。48V SELV PDN 仍然會為OEM廠商提供顯著的優勢,但現在,電源系統設計人員卻面臨著800V至48V或400V至48V高功率轉換的其它挑戰。

這種大功率DC-DC轉換也需要隔離,但由於在此範圍內使用穩壓轉換器效率非常低,而且會有很大的熱管理問題,因此這種轉換不應該包含穩壓。透過在下游使用穩壓負載點轉換器,上游高功率轉換器可使用更高效的固定比率拓撲。這具有極大的優勢,因為16:1或8:1的寬輸入至輸出電壓範圍分別適用於800/48 和400/48(見圖 5)。OEM廠商通常將這種高效率的降壓解決方案佈置在電池組自身內部,在某些情況下甚至可以不用電池。Vicor固定比率高壓母線轉換器能夠以快速的壓擺率實現快速的電流傳輸,這可幫助 OEM廠商減少12至14公斤不必要的48V電池重量。

由於配送400V或800V電源時的安全要求,分散高電壓隔離式轉換器困難重重且成本高昂。然而,可使用電源模組取代大型「銀盒」DC-DC轉換器來設計大功率集中式固定比率轉換器。

電源模組具有高度的可擴充性,還可輕鬆並聯,適用於一系列具有不同供電鏈和底盤電氣化要求的車輛。此外,Vicor BCM固定比率母線轉換器也是雙向的,支援各種能源回收方案。BCM採用正弦振幅轉換器 (SAC)高頻率軟切換拓撲,可實現98%以上的效率。此外,它們還具有2.6kW/in3的功率密度,可顯著縮小集中式高壓轉換器的尺寸。

特斯拉已經接受了挑戰。他們致力於轉向48V,這是全球汽車電氣化的下一個重要步驟。其他公司也會效仿。開發最佳純電動汽車的競爭需要挑戰極限,還需要引入新技術,才能保持領先地位。將供電網路升級到48V是顯而易見的下一步工作。為了實現通過採用48V系統獲得的PDN優勢,最快的路徑是在每個區域使用高功率密度DCDC轉換器部署區域架構。除了48V纜線重量更輕的優勢外,電源模組還可提高散熱效率,並在整個車輛中提供48V至12V的最高轉換效率。此外,精巧型電源模組還可輕鬆擴充,是向48V區域分散式 架構的無縫補充。


關鍵字