純電動(dòng)汽車有一個(gè)傳統(tǒng)方案無(wú)法解決的重量問(wèn)題

純電動(dòng)汽車 (BEV) 有嚴(yán)重的重量問(wèn)題，這種問(wèn)題Weight Watchers^?無(wú)法解決。

許多純電動(dòng)汽車比內(nèi)燃機(jī)汽車 (ICE) 重33%。美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)主席指出：“福特F-150 Lightning比非電動(dòng)版本重2000 到3000 磅?！绷硗猓绹?guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)研究局 (National Bureau of Economic Research) 發(fā)現(xiàn)，車輛每增加1,000 磅，事故死亡風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加約47%。

因此，汽車 OEM 廠商在嘗試設(shè)計(jì)續(xù)航里程更長(zhǎng)、安全性更高和電子內(nèi)容更多的純電動(dòng)汽車時(shí)，面臨嚴(yán)峻的限制條件。這是該行業(yè)有史以來(lái)面臨的最嚴(yán)峻研發(fā)挑戰(zhàn)之一。

盡管面臨巨大的挑戰(zhàn)，但如果電動(dòng)汽車中的傳統(tǒng)超重供電網(wǎng)絡(luò)(PDN) 被48 V 區(qū)域架構(gòu)取代，其中48 V 母線取代原有12 V 系統(tǒng)，則可減少OEM 廠商、消費(fèi)者和立法者的這些擔(dān)憂。部署由高密度電源模塊支持的區(qū)域架構(gòu)，將以3 種方式減輕重量。這種新架構(gòu)將實(shí)現(xiàn)從粗線束到細(xì)線束的過(guò)渡，可將線束重量減少85%。此外，低壓輔助電池可拆除并使用電源模塊進(jìn)行虛擬化，從而可完全消除電池重量。最后，使用電源模塊進(jìn)行PDN升級(jí)，可優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，從而將其重量減少33%。

因此，采用分布式架構(gòu)替代傳統(tǒng)集中式架構(gòu) ，可顯著減輕重量，還可提高整體電力系統(tǒng)效率。

1 采用48 V：對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，是一項(xiàng)明顯和期盼已久的改進(jìn)在每個(gè)設(shè)計(jì)周期，新車都會(huì)增加安全、安防和自動(dòng)

駕駛等新電子產(chǎn)品。每個(gè)額外的功能都會(huì)增加功耗，使用固定標(biāo)準(zhǔn)化電池已轉(zhuǎn)化為電流的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。從電流趨勢(shì)來(lái)看（圖1），集中式架構(gòu)PDN 是不可持續(xù)的。要恢復(fù)可持續(xù)電流水平并最大限度減少線束重量的同時(shí)，滿足不斷增長(zhǎng)的電力需求，唯一的方法就是使用區(qū)域架構(gòu)將工作電壓提高至48 V。

圖1 轉(zhuǎn)換為48 V系統(tǒng)，會(huì)將車輛總電流從250 A 以上降至75 A以下，不會(huì)影響車輛電氣性能。自1908年以來(lái)，隨著汽車電子設(shè)備的增加，汽車電流需求已呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。20世紀(jì)60年代，OEM廠商將電壓從6 V提高到12 V，導(dǎo)致電流在60年首次減少。盡管現(xiàn)在需要更大的電流，但大多數(shù)OEM廠商仍然使用12 V母線。2023年，特斯拉成為首家宣布在整個(gè)汽車中全面采用 48 V母線的OEM廠商，這將大大降低電流需求。

當(dāng)前的純電動(dòng)汽車由主高壓電池（通常為400 V 或800 V）供電，不僅需要為電動(dòng)牽引電機(jī)供電，而且還需要為大量低壓負(fù)載供電，如空調(diào)、加熱座椅和信息娛樂系統(tǒng)等。PDN 會(huì)將高壓降至48 V 及12 V 輔助電池電壓，為這些子系統(tǒng)供電。

根據(jù)歐姆定律，轉(zhuǎn)而采用 48V 分布式架構(gòu)將帶來(lái)一個(gè)機(jī)會(huì)：。功率輸出相同時(shí)，12 V 電源需要的電流是48 V 電源的四倍。因此，12 V 導(dǎo)線一般也比48 V 導(dǎo)線粗四倍。

2 12 V集中式架構(gòu)的消亡

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，12 V 集中式系統(tǒng)一直是汽車使用的傳統(tǒng)電源架構(gòu)。該架構(gòu)由一個(gè)龐大的銀盒外殼組成，其中包含一系列分立式組件，例如所有將高壓(HV) 轉(zhuǎn)換成48 V 至12 V 的DC-DC 轉(zhuǎn)換器等。這個(gè)系統(tǒng)需要使用粗重的導(dǎo)線將12 V 電流傳輸至負(fù)載點(diǎn)。

此外，由于傳統(tǒng)的DC-DC 轉(zhuǎn)換效率低，這種集中式電源系統(tǒng)會(huì)從銀盒產(chǎn)生大量熱量，通常需要密集的液冷，這會(huì)增加更多的重量。

要過(guò)渡到48 V，可在端點(diǎn)位置使用高密度電源模塊，以便在負(fù)載點(diǎn)高效轉(zhuǎn)換為12 V。這使OEM 廠商能夠隨著時(shí)間的推移，高度靈活地逐漸將12 V 負(fù)載器件過(guò)渡到48 V。這有助于在對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)干擾最小的情況下，快速實(shí)現(xiàn)使用48 V 的優(yōu)勢(shì)。

3 48 V分布式架構(gòu)降低熱損耗、減少電流

這種新穎的48 V分布式架構(gòu)系統(tǒng)利用了歐姆定律，是行業(yè)轉(zhuǎn)變的典范，其中 DC-DC 轉(zhuǎn)換發(fā)生在更靠近負(fù)載點(diǎn)的位置，而不是在中央銀盒內(nèi)完成。在該方案中，高壓至48 V 的轉(zhuǎn)換有助于將安全的48 V 用作整個(gè)車輛的母線電壓。48 V 至12 V 的轉(zhuǎn)換在負(fù)載點(diǎn)位置進(jìn)行。通過(guò)48 V 而非12 V 傳輸電流，導(dǎo)線可以更細(xì)、更輕，很明顯，成本也會(huì)更低（圖2）。這種更細(xì)、更靈活的導(dǎo)線也更容易在車內(nèi)布局。此外，這種方法可將與DC-DC 轉(zhuǎn)換器有關(guān)的熱損耗均勻地分布在整個(gè)車上，從而可使用安裝在底盤上的熱傳導(dǎo)及空氣對(duì)流散熱系統(tǒng)的潛能。

圖2 當(dāng)今汽車有兩種不同的PDN：12 V集中式架構(gòu)和快速發(fā)展的48 V分布式架構(gòu)。前者采用12 V粗線束，后者采用48 V細(xì)線束，細(xì)線束重量更輕，減少了熱損耗，而且將電流降至1/4。

4 計(jì)算減少的重量

48 V 分布式架構(gòu)不僅可更好地支持純電動(dòng)汽車日益增長(zhǎng)的動(dòng)力需求，同時(shí)還可采用3 種方法減輕汽車重量

1.線束：重量銳減約 85%

升級(jí)到48 V 分區(qū)架構(gòu)，意味著傳統(tǒng)的273 克/ 米的12 V、4 號(hào)電線將被27 克/ 米的48 V、10 號(hào)電線取代。這可減輕大約85% 的導(dǎo)線重量。

2.輔助蓄電池取消：重量減少~100%

電源模塊的分布式架構(gòu)可加速DC-DC 轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)，從而創(chuàng)建虛擬電池。因此，12 V/48 V 分布式電源模塊不僅可復(fù)制12/48 V 低壓電池的特征，同時(shí)完全消除了物理12 V 電池，減輕了100% 的重量。

圖3 電源模塊可實(shí)現(xiàn)比12 V鉛酸電池更快的瞬態(tài)響應(yīng)，從而創(chuàng)建虛擬電池，可取代傳統(tǒng)的笨重12 V電池。

5 電源系統(tǒng)優(yōu)化：重量減輕約 33%

用區(qū)域系統(tǒng)取代集中式系統(tǒng)，可將48 V 至12 V 電源轉(zhuǎn)換從銀盒移至負(fù)載點(diǎn)。改進(jìn)后采用高密度電源模塊提供48 V 輸出的電源系統(tǒng)盒將縮小達(dá)33%。因此，外殼重量可減輕多達(dá)三分之一(33%)。

在傳統(tǒng)12 V 集中式系統(tǒng)中，分立式組件會(huì)在其銀盒外殼內(nèi)產(chǎn)生環(huán)境高溫。采用高密度電源模塊的電源系統(tǒng)盒產(chǎn)生的熱量較少，而且負(fù)載點(diǎn)模塊可在底盤上進(jìn)行高效的通風(fēng)散熱。這些改進(jìn)可使液冷系統(tǒng)瘦身 7%。

圖4 使用電源模塊和分布式架構(gòu)時(shí)，可縮小集中式外殼，因?yàn)樵?8 V轉(zhuǎn)換為12 V負(fù)載的端點(diǎn)可以更高效地散熱。

6 化重量為機(jī)遇

OEM廠商可使用分布式架構(gòu)獲得各種優(yōu)勢(shì)。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，請(qǐng)考慮減輕重量對(duì)增加行駛里程的影響。車輛越重，能耗就越大，行駛里程也就越短。然而，如果將其用來(lái)增加電池尺寸，額外的重量就可降低對(duì)續(xù)航里程的影響。額外的電池提供更多的能量存儲(chǔ)，可增加續(xù)航里程。

在Vicor 進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，高密度電源模塊支持的分布架構(gòu)可將車輛重量減輕40 磅（表1）。在該重量被40 磅的電池所取代時(shí)，在不增加凈重的情況下，電動(dòng)汽車的行駛里程每年可增加4000 英里。

表1 48 V分布式架構(gòu)與高密度電源模塊相結(jié)合，將使緊湊型電動(dòng)SUV減重約18公斤（40磅）

這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槊绹?guó)聯(lián)邦公路管理局2023年的數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)人平均每年開車的行駛里程為14263 英里。因此，使用48 V 分布式架構(gòu)可減少每年30% 的充電時(shí)間（表2），并增加車輛一次充電的行駛里程。

表2 增加的行駛里程為司機(jī)增加了每次充電的行駛距離，減少每年所需的充電次數(shù)

7 創(chuàng)新消除重量顧慮

電動(dòng)汽車超重，這種趨勢(shì)既不能持續(xù)，也不利于電動(dòng)汽車的整體發(fā)展。采用傳統(tǒng)銀盒和分立式組件的12 V集中式架構(gòu)需要升級(jí)到48 V 分布式架構(gòu)，以優(yōu)化電動(dòng)汽車的供電網(wǎng)絡(luò)和散熱管理系統(tǒng)。分布式架構(gòu)可將每年的行駛里程增加4000 英里，也可用于實(shí)現(xiàn)額外的安全或電子功能。

最高效的區(qū)域架構(gòu)在負(fù)載點(diǎn)使用小型輕量級(jí)轉(zhuǎn)換器。高效的高功率密度模塊是48 V 至12 V 轉(zhuǎn)換的最佳選擇。

鑒于當(dāng)前復(fù)雜的汽車電力電子產(chǎn)品，OEM 廠商不僅需要?jiǎng)?chuàng)造性地減輕重量，同時(shí)還需要提高性能。Vicor是高性能電源模塊的領(lǐng)導(dǎo)者，始終致力于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和創(chuàng)造。Vicor 緊湊型電源模塊、架構(gòu)和拓?fù)錇槠嘜EM 廠商提供高度靈活的可擴(kuò)展電源解決方案，用于整個(gè)車輛的高壓電源轉(zhuǎn)換。易于部署的電源模塊是原有集中式電源系統(tǒng)使用的傳統(tǒng)分立式設(shè)計(jì)的替代方案。此外，小巧緊湊的電源模塊也是48 V 區(qū)域架構(gòu)顯而易見的選擇及合理補(bǔ)充，48 V 區(qū)域架構(gòu)是汽車行業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)。

Weight Watchers^?是WW International, Inc.的注冊(cè)商標(biāo)。Vicor是Vicor公司的注冊(cè)商標(biāo)。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.1-2期）