通过模块化方法解决汽车48V电源架构的电气化挑战

汽车，卡车，公共汽车和摩托车厂商正在迅速转变为电气化，以提高内燃机的燃油效率并减少二氧化碳排放。电气化选择很多，但是大多数制造商都选择48伏轻度混合动力系统，而不是全混合动力总成。在轻度混合动力系统中，除了传统的12V电池外，还增加了48伏电池。

这样可将功率容量提高4倍（P = V•I），可用于较重的负载，例如启动时的空调和催化转化器。为了提高车辆性能，该48V系统可以为混合动力发动机提供动力，该混合动力发动机可实现更快、更平稳的加速，同时节省燃料。额外的动力还可以支持转向、制动和悬架系统，以及新的安全性、娱乐性和舒适性功能。

一旦设计完成，引入48伏轻混动力系统具有巨大的上升空间。克服一直以来的12V输电网络（PDN）的可能是最大的挑战。功率传输的变化通常需要需要广泛测试的新技术，并且可能需要能够提供汽车行业高安全性和质量标准的新供应商。

但是，随着数据中心行业转向48V输电网络，其优势远远超过了转换成本。对于汽车行业而言，48V轻型混合动力系统提供了一种方法，可以快速引入排放量更低，续航里程更长，油耗更高的新型汽车中。它还提供了令人兴奋的新设计选项，以实现更高的性能和功能，同时仍减少二氧化碳排放量。

如何最大化48V输电网络

添加48V电池为较重的动力总成和底盘系统负载供电。现在，可以选择添加一些系统，这些系统可以直接处理48V输入，或保留传统的12V机电负载（如泵类，风扇和电动机），通过DC-DC转换器将48V转换为12V。为了管理变化和风险，现有的轻度混合动力输电系统正在缓慢增加48V负载，但仍使用大型集中式48V至12V转换器，该转换器将车辆周围的12V馈入负载。但是，这种集中式架构没有充分利用48V输电网络的优势，也没有利用可用的高级转换器拓扑，控制系统和封装的优势。

图1传统的12V集中式架构

图2 48V分布式架构

这些集中式DC-DC转换器（图1）绝大多数都是笨重的，因为它们使用了较旧的低频PWM开关拓扑。对于许多关键的动力总成系统，它们也代表了单点故障。

要考虑的另一种架构是带有模块化电源组件的分散式电源交付（图2）。这种电源传输架构使用较小的，低功耗的48至12V转换器，这些转换器分布在整车中接近12V负载的位置。通过简单的功率方程P = V•I和PLOSS = I2R就可以解释为什么48V比12V更有效。

对于给定的功率水平，在48V时电流比12V系统低四倍，损耗（I2R）低16倍。电流只为之前的1/4，因此电缆和连接器可以更小，更轻，更便宜。分散式电源架构还具有显着的热管理和电源系统冗余优势（图4）。这是在车辆周围分配功率的另一种方式。

图3标准DC-DC转换器的效率为94％

图4 Vicor DC-DC转换器的效率为98％

分布式架构的模块化组件优势

分布式电力输送的模块化方法（图5）具有高度的可扩展性。

图5混合动力汽车的模块化方法

电池的48V输出分配给车辆中的各种高功率负载，从而最大限度地利用了较低电流（4x）和较低损耗（16x）的优势，从而实现了体积更小，重量更轻的输电网络。根据对各种分布式负载的功率分析，可以设计一个模块并通过适当的功率粒度，并支持并行阵列的扩展。

在此示例中，展示了一个2kW的模块。如前所述，粒度和可伸缩性取决于系统。通过使用分布式模块而不是大型的集中式DC-DC转换器，N + 1冗余也可以以更低的成本实现。如果负载功率在车辆开发阶段发生变化时，也具有灵活性，工程师无需添加或修改定制电源，而只是通过添加或删除模块即可。另一个设计优势是减少了开发时间，因为该模块已经获得批准和认证。

在高压电池系统中实施分布式模块化48V架构

图6电动汽车的模块化方法

对于纯电动汽车或高性能混合动力汽车，由于动力总成和底盘系统的高功率需求，因此使用了高压电池。48V SELV 输电网络对于OEM们仍然具有显着优势，但是现在，电源系统设计人员还面临着高压800V或400V到48V转换的挑战。

这种大功率DC-DC转换器也需要隔离，但不需要调节。通过使用稳压PoL转换器，高功率转换器可以使用固定比率拓扑。由于分别针对800V/48V和400V/48V的16：1或8：1的宽输入到输出电压范围（图6），这是非常有益的。在此范围内使用稳压转换器效率非常低，并且存在很大的热管理问题。OEM经常在电池组内部寻找高效的降压解决方案，并且在某些情况下能够淘汰48V电池。Vicor的固定比例高压转换产品以快速的压摆率提供快速的电流输出，使OEM厂商可以减轻12-14kg不必要的48V电池重量。

由于在分配400V或800V时的安全要求，将这种高压隔离转换器离散化将非常困难且成本很高。但是，可以使用电源模块代替DC-DC转换器银盒来设计大功率集中式固定比率转换器。

可以开发出粒度和可扩展性级别合适的电源模块，然后轻松地将其并联用于具有不同动力总成和底盘电气化要求的一系列产品。Vicor固定比率总线转换器（BCM）也是双向的，它支持各种能量再生方案。由于采用了正弦振幅转换器（SAC）的高频软开关拓扑，BCM的效率超过98％。它们还具有2.6kW / in3的功率密度，从而大大减小了集中式高压转换器的尺寸。

Vicor是汽车市场的供应商，提供先进和创新的模块化电源解决方案。这种用于汽车电源系统的方法简化了电源交付，提高了性能，生产率和上市时间。作为高电压（例如48V，400V 800V）电源转换的领导者，Vicor不断创新电源传输架构，电源转换拓扑，控制系统和封装。