使用48V分布式電源架構(gòu)解決汽車電氣化難題-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯使用48V分布式電源架構(gòu)解決汽車電氣化難題-設(shè)計(jì)應(yīng)用轎車、卡車、公交車及摩托車制造商都在快速為其車輛實(shí)現(xiàn)電氣化，以提高內(nèi)燃機(jī)的燃油效率，減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但大多數(shù)制造商都沒有選擇完全混合動力總成，而是選擇48伏輕度混合動力系統(tǒng)。輕度混合動力系統(tǒng)除了有傳統(tǒng)12V電池之外，還新增了一款48V電池。這可增加4倍的電量（P=VI），用于催化式排氣凈化器等重負(fù)荷。48V系統(tǒng)可為混合動力發(fā)動機(jī)供電，在節(jié)省燃油的同時，更快、更平穩(wěn)的加速，以提高車輛性能。額外的電源不僅可為轉(zhuǎn)向、剎車以及懸架系統(tǒng)提供支持，而且還可增加新的安全、娛樂及舒適特性。引入48伏輕度混合動力系統(tǒng)，一旦完成設(shè)計(jì)，會有很大的優(yōu)勢。克服對長期存在的12伏供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）進(jìn)行改造的猶豫可能是的挑戰(zhàn)。改變供電通常需要必須進(jìn)行大量測試的新技術(shù)，而且可能還需要能夠按汽車產(chǎn)業(yè)的高安全性及高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)供電的全新供應(yīng)商。但數(shù)據(jù)中心行業(yè)在轉(zhuǎn)向48VPDN的過程中發(fā)現(xiàn)，這樣做的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了轉(zhuǎn)換成本。對于汽車產(chǎn)業(yè)來說，48V輕度混合動力系統(tǒng)帶來了快速推出排放更低、行駛里程更遠(yuǎn)、油耗更低的全新車輛的途徑。此外，它還可為提高性能特性并減少二氧化碳排放提供令人振奮的全新設(shè)計(jì)選項(xiàng)。如何化48V供電網(wǎng)絡(luò)增加48V電池，為更重的動力總成及底盤系統(tǒng)負(fù)載供電，可為工程師提供各種選項(xiàng)?，F(xiàn)在有一個增加系統(tǒng)的選擇，可以直接處理48V輸入，也可以保留泵、風(fēng)扇和電機(jī)等原有12V機(jī)電負(fù)載，無需通過穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器將48V轉(zhuǎn)換成12V。為了管理變革與風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有輕度混合動力供電系統(tǒng)逐漸增加48V負(fù)載的同時，仍使用大型集中式數(shù)千瓦48V至12V轉(zhuǎn)換器，將整個汽車的12V電源提供給12V負(fù)載。然而，這種集中式架構(gòu)不僅沒有完全利用48VPDN的優(yōu)勢，而且也沒有利用現(xiàn)在可用的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?、控制系統(tǒng)與封裝的優(yōu)勢。

這些集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器（圖1）絕大多數(shù)都很笨重，因?yàn)樗鼈兪褂幂^早的低頻率開關(guān)PWM拓?fù)?。此外，它們也會為大量關(guān)鍵動力總成系統(tǒng)帶來單點(diǎn)故障。另外一種需要考慮的架構(gòu)是使用模塊化電源組件進(jìn)行分布式供電（圖2）。該供電架構(gòu)使用更小、更低功耗的48至12V轉(zhuǎn)換器，在整個接近12V負(fù)載的車輛中配電。簡單的功率方程式P=V?I和PLOSS=I2R就可以說明為什么48V配電比12V更高效。對于給定功率級而言，與12V系統(tǒng)相比，48V系統(tǒng)電流低四倍、功耗低16倍。在1/4的電流下，電纜和連接器可能會更小、更輕，而且成本也會更低。此外，分布式電源架構(gòu)還有顯著的熱管理及電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢（圖4）。

分布式架構(gòu)的模塊化組件優(yōu)勢分布式供電（圖5）的模塊化方法具有高度的可擴(kuò)展性。

圖5混合動力電動車的模塊化方法電池的48V輸出分配給車內(nèi)各種高功率負(fù)載，從而可使更低電流（4倍）及更低功耗（16倍）的優(yōu)勢化，帶來更小、更輕的PDN。根據(jù)不同分布式負(fù)載的負(fù)載電源分析，可以設(shè)計(jì)一個模塊并對其進(jìn)行適當(dāng)功率粒度及擴(kuò)展性，用于并行陣列。本實(shí)例中是2kW模塊。如前文所述，粒度和可擴(kuò)展性主要看系統(tǒng)。通過使用分布式模塊代替大型集中式DC-DC轉(zhuǎn)換器，N+1冗余也能夠以顯著降低的成本實(shí)現(xiàn)。如果負(fù)載功耗在汽車開發(fā)階段有變，該方法依然有優(yōu)勢。工程師可以增減模塊，無需對整個完成的定制電源進(jìn)行修改。另一個設(shè)計(jì)優(yōu)勢是縮短開發(fā)時間，因?yàn)槟K已獲得批準(zhǔn)和。在更高電壓的電池系統(tǒng)中實(shí)施分布式模塊化48V架構(gòu)

圖6純電動車的模塊化方法純電動車或高性能混合動力車可使用高電壓電池，因?yàn)閯恿偝珊偷妆P系統(tǒng)功率需求很高。48VSELVPDN對于OEM廠商而言依然有顯著的優(yōu)勢，但是現(xiàn)在，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有了額外的挑戰(zhàn)，即高功率800V或400V至48V的轉(zhuǎn)換。此外，這款高功率DC-DC轉(zhuǎn)換器還需要隔離，但不需要穩(wěn)壓。分散48V至12V轉(zhuǎn)換器布置的一大優(yōu)勢是更好的穩(wěn)壓。上游高功率轉(zhuǎn)換器可通過使用穩(wěn)壓PoL轉(zhuǎn)換器，使用固定比率拓?fù)洹＿@具有極大的優(yōu)勢，因?yàn)?6:1或8：1的寬輸入至輸出電壓范圍分別適用于800/48和400/48。在該范圍內(nèi)使用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器不僅效率很低，而且還會給熱管理帶來很大的問題。由于400V或800V配電時的安全要求，分散布置這款高電壓隔離轉(zhuǎn)換器不僅非常困難，而且成本還很高。然而，高功率集中式固定比例轉(zhuǎn)換器可使用電源模塊取代大型“銀盒”DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)?？梢蚤_發(fā)具有適當(dāng)粒度及可擴(kuò)展性的電源模塊，然后進(jìn)行輕松并聯(lián)，用于具有不同動力總成及底盤電氣化要求的廣泛車輛。此外，Vicor固定比率母線轉(zhuǎn)換器（BCM?）還是雙向的，支持各種能源再生方案。BCM采用正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC?）高頻率軟開關(guān)拓?fù)洌蓪?shí)現(xiàn)98％以上的效率。它們還具有2.6kW/in3的功率密度，可顯著縮小集中式高電壓轉(zhuǎn)換器的尺寸。Vicor是汽車