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    電動汽車電氣化挑戰:48V技術可有效分配電源

    作者:時間:2022-07-14來源:powerelectronicsnews收藏

      電動汽車(電動汽車)也許是近年來科技公司和消費者必須面對的最重大挑戰之一。雖然越來越需要找到可以徹底改變我們前進方式的環保系統,但也需要確保新的綠色技術在價格和性能方面盡可能高效。

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202207/436210.htm

      車輛OEM必須滿足日益嚴格的CO2排放標準,同時提高車輛性能以保持競爭力。純電動汽車(EV),混合電動汽車(HEV)和內燃機汽車(ICE)的電氣化解決了這一重大挑戰。增加諸如48V,400V和800V之類的高壓電池以滿足不斷增長的功率需求,反過來又增加了功率傳輸架構的復雜性,并且在尺寸和效率方面提出了新的要求。

      輕度混合動力電動汽車(MHEV)系統是電氣化的門戶。也被認為是輕型混合動力,它們將為混合動力模型的指數增長做出貢獻。MHEV系統能夠在制動過程中回收車輛能量,并在車輛重新啟動過程中提供能量,從而減少了汽油消耗和二氧化碳排放量。

      HEV模型的第二種電氣化方法包括與ICE一起工作的電動機,使車輛在電動模式下可以100%行駛幾公里。另一個流行的替代方法是插電式混合動力汽車(PHEV),其中電池可以由電網充電,零排放時的續航里程增加到約50公里。在這種情況下,電氣化程度明顯高于MHEV和混合動力技術(購置成本也更高),市場上有數十種PHEV車型。

      電動汽車(BEV)缺少ICE,而是由逆變器和電動機的組合提供動力。BEV可通過電網和制動再生過程中充電。在電動汽車中,我們還發現帶有小型內燃發動機的增程電動汽車(EREV)專門用作電流發生器,以在電量不足時為電池充電。最后一個類別是由氫燃料電池驅動的燃料電池電動汽車(FCEV)。

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    圖1:按動力總成類型劃分的全球預測(來源:Vicor/HIS)

      該解決方案不僅可以用于固態電池或氫燃料電池等新能源存儲技術,還可以通過減輕重量和采用新的電氣架構來提高汽車效率。

    當今的電氣化挑戰

      “如今,電氣化面臨的挑戰包括:降低成本,實現積極的CO2排放目標,管理電源要求的變化,為舊的12V負載供電,交付更輕,性能更高的車輛,增加功率水平,更快的充電時間以及管理更高的電壓800V和400V電池系統,”Vicor Corporation汽車業務發展全球副總裁Patrick Wadden說。

      汽車,卡車,公共汽車和摩托車的制造商正在迅速使他們的車輛電氣化,以提高內燃機的燃油效率并減少CO2排放量。電氣化選擇很多,但是大多數制造商都選擇48伏輕度混合動力系統,而不是全混合動力總成。在輕度混合動力系統中,除了傳統的12V電池外,還增加了48V電池。

      “車輛中裝有800伏或400伏電池。Vicor從電池中獲取800或400伏特的電壓,并將功率轉換為48伏特,以為諸如電動渦輪增壓器,前擋風玻璃和冷卻泵之類的負載供電。由800或400伏電池供電的系統可以選擇完全省去48V電池并創建虛擬48V電池。消除了48V電池,為OEM提供了更高的功率密度,減輕了重量和尺寸,所有這些都使車輛的行駛范圍得以擴展。這些解決方案具有可擴展性,因此可以滿足豪華車的入門級需求?!盬adden說。

    圖3:從過載的12V機械電壓轉換為48V(來源:Vicor)

    48V技術可有效分配電源

      48V技術將電源能力提高了4倍(P=V?I),可用于較重的負載,例如空調和啟動時的催化轉化器。為了提高車輛性能,該48V系統可以為混合動力發動機提供動力,該混合動力發動機可實現更快,更平穩的加速,同時節省燃油。

      Wadden說:“克服對修改長期成本優化的12伏輸電網絡(PDN)的猶豫可能是最大的挑戰?!彼^續說:“對于汽車行業而言,48V輕度混合動力系統提供了一種方法,可以快速引入排放量更低,續航里程更長,油耗更高的新車,并且具有實用性。它還提供了令人興奮的新設計選項,以實現更高的性能和功能,同時仍減少CO2排放。

      所使用的絕大多數集中式DC-DC轉換器體積大而笨重,因為它們使用了舊的PWM低頻開關拓撲。要考慮的最新架構是使用電源模塊的分散式電源傳輸(圖4)。

      “使用分散模型的好處甚至可以在車輛周圍較輕的電纜布線的系統級實現。在使阻抗和電阻最小化方面,將轉換器放置在距離負載最近的位置有一些好處??梢院喕鋮s方法,在某些情況下可以消除冷卻板或液體冷卻。Wadden說:“通過更多選擇來實現功能安全的選擇以及靈活性都將發揮作用?!?/p>

      這種電源傳輸架構使用較小的低功耗48V至12V轉換器。分散式電源架構在電源系統中提供了顯著的熱管理優勢。

      “讓我們看一下集中式系統與分散式系統的高級示意圖。在左側,我們有一個傳統的3kW銀盒,傳統上帶有400V輸入到12V輸出,可為汽車中的12V負載供電。右邊是一個如何在汽車周圍使用48V的示例:轉換器被放置在負載點的右邊,分散模型消除了大銀盒,并根據需要在車輛周圍分配了電源。這也允許實施帶有備用耗材的ASIL FUSA。隨著功率需求的增加,管理變得越來越困難,并且不能繼續添加這些較舊的傳統銀盒,”Wadden說。

      新的48V PDN必須支持具有更高功率要求的傳統12V負載,以及使用電纜的新大功率驅動,轉向和制動系統。與更大,更笨重的分立解決方案相比,要在越來越多的負載下提供更多的48V電源,就需要高密度的模塊。Vicor提供了多個用于從48V供電的模塊。這些器件包括固定比率和穩壓轉換解決方案,它們在降壓或升壓模式下均支持48V和12V負載。這些轉換器可以包含在單個外殼中,也可以使用更小,更輕的48V PDN分布在整個車輛中。

    圖5:使用效率高達94%的傳統轉換器管理功耗(來源:Vicor)

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    圖6:Vicor解決方案(來源:Vicor)

      當OEM需要在車輛附近最靠近負載的地方放置電壓轉換級,或者將48V降壓至12V或將12V升高至48V時,Vicor NBM可用于分散式架構。

      通過使用400V和800V充電站,車輛與任何充電站的兼容性都需要盡可能簡單但最有效的轉換解決方案。NBM6123采用61 x 23mm CM-ChiP封裝提供6.4kW固定比率的400V和800V轉換,從而實現了可擴展的,高效率,高密度的解決方案,以實現路邊充電站與不同車輛之間的兼容性。Vicor解決方案的雙向功能允許同一模塊用于升壓或降壓轉換。NBM6123還可以用于在充電過程中將能量輸送到車輛以進行空調,從而最大程度地減少了電池平衡電路。

    結論

      如今,汽車電氣化已采取多種形式,而為它們提供動力非常復雜。車輛具有許多不同的系統,每個系統可能具有不同的功率要求。模塊化電源方法本質上具有更大的靈活性和可擴展性,能夠應對眾多挑戰。Vicor的高性能解決方案體積小,重量輕,旨在解決任何系統的電源轉換,充電和傳輸問題。



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