特斯拉 電動車 48V xEV 電源模組

Vicor電源模組協助xEV過渡至48V區域架構

2024-02-05
特斯拉最近宣布,未來所有特斯拉電動車都將採用48V低壓系統。隨著產業朝著這個方向發展,將為OEM廠商以及一級供應商的適應帶來機遇和挑戰。採用分散式區域架構,在負載端將48V轉換為12V,是架構這類系統最有效的方法。Vicor高功率密度小型模組可使設計和建構區域架構變得簡單,為xEV提供支援。

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,但純電動車平台為OEM廠商設計純電動車的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。

在純電動車平台中,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。

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。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。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。使用模組化方法進行分散式供電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,進而實現了更小、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。

純電動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高功率轉換的其他挑戰。

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。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。

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