高密度電源模塊可實現(xiàn)能減少重量和功耗的 48V 系統(tǒng)

許多純電動汽車比內(nèi)燃機汽車 (ICE) 重 33%。美國國家運輸安全委員會主席指出：“福特 F-150 Lightning比非電動版本重 2000 到 3000 磅。”另外，美國國家經(jīng)濟研究局 (National Bureau of Economic Research) 發(fā)現(xiàn)，車輛每增加 1,000 磅，事故死亡風(fēng)險就會增加約 47%。

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

盡管面臨巨大的挑戰(zhàn)，但如果電動汽車中的傳統(tǒng)超重供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 被 48V 區(qū)域架構(gòu)取代，其中 48V 母線取代原有 12V 系統(tǒng)，則可減少 OEM 廠商、消費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)將實現(xiàn)從粗線束到細(xì)線束的過渡，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，可優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，從而將其重量減少 33%。

圖 1：轉(zhuǎn)換為 48V 系統(tǒng)，會將車輛總電流從 250A 以上降至 75A 以下，不會影響車輛電氣性能。自 1908 年以來，隨著汽車電子設(shè)備的增加，汽車電流需求已呈指數(shù)級增長。20 世紀(jì) 60 年代，OEM 廠商將電壓從 6V 提高到 12V，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 12V 母線。2023 年，特斯拉成為首家宣布在整個汽車中全面采用 48V 母線的 OEM 廠商，這將大大降低電流需求。

因此，采用區(qū)域架構(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。

采用 48V：對于純電動汽車而言，是一項明顯和期盼已久的改進(jìn)

在每個設(shè)計周期，新車都會增加安全、安防和自動駕駛等新電子產(chǎn)品。每個額外的功能都會增加功耗，使用固定標(biāo)準(zhǔn)化電池已轉(zhuǎn)化為電流的指數(shù)級增長。從電流趨勢來看（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，滿足不斷增長的電力需求，唯一的方法就是使用區(qū)域架構(gòu)將工作電壓提高至 48V。

當(dāng)前的純電動汽車由主高壓電池（通常為 400V 或 800V）供電，不僅需要為電動牽引電機供電，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 會將高壓降至 48V 及 12V 輔助電池電壓，為這些子系統(tǒng)供電。

根據(jù)歐姆定律，采用 48V 區(qū)域架構(gòu)將帶來一個機會：功率 =電流×電壓。功率輸出相同時，12V 電源需要的電流是 48V 電源的四倍。因此，12V 導(dǎo)線一般也比 48V 導(dǎo)線粗四倍。

12V 集中式架構(gòu)的消亡

自 20 世紀(jì) 60 年代以來，12V 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 48V 至 12V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等。這個系統(tǒng)需要使用粗重的導(dǎo)線將 12V 電流傳輸至負(fù)載點。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)會從銀盒產(chǎn)生大量熱量，通常需要密集的液冷，這會增加更多的重量。

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

48V 區(qū)域架構(gòu)降低熱損耗、減少電流

這種新穎的 48V 區(qū)域架構(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)載點的位置，而不是在中央銀盒內(nèi)完成。在該方案中，高壓至 48V 的轉(zhuǎn)換有助于將安全的 48V 用作整個車輛的母線電壓。48V 至 12V 的轉(zhuǎn)換在負(fù)載點位置進(jìn)行。通過 48V 而非 12V 傳輸電流，導(dǎo)線可以更細(xì)、更輕，很明顯，成本也會更低（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車上，從而可使用安裝在底盤上的熱傳導(dǎo)及空氣對流散熱系統(tǒng)的潛能。

圖 2a（左圖）：當(dāng)今汽車有兩種不同的 PDN：12V 集中式架構(gòu)和快速發(fā)展的 48V 區(qū)域架構(gòu)。前者采用 12V 粗線束，后者采用 48V 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 。

計算減少的重量

48V 區(qū)域架構(gòu)不僅可更好地支持純電動汽車日益增長的動力需求，同時還可采用 3 種方法減輕汽車重量

線束：重量銳減約 85%

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

輔助蓄電池取消：重量減少~100%

電源模塊的區(qū)域架構(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，12V/48V 區(qū)域式電源模塊不僅可復(fù)制 12/48V 低壓電池的特征，同時完全消除了物理 12V 電池，減輕了100% 的重量。

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 48V 至 12V 電源轉(zhuǎn)換從銀盒移至負(fù)載點。改進(jìn)后采用高密度電源模塊提供 48V 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) 12V 集中式系統(tǒng)中，分立式組件會在其銀盒外殼內(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 3：電源模塊可實現(xiàn)比 12V 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 12V 電池。

化重量為機遇

OEM 廠商可使用區(qū)域架構(gòu)獲得各種優(yōu)勢。為了說明這一點，請考慮減輕重量對增加行駛里程的影響。

然而，如果將其用來增加電池尺寸，額外的重量就可降低對續(xù)航里程的影響。額外的電池提供更多的能量存儲，可增加續(xù)航里程。

圖 4：使用電源模塊和區(qū)域架構(gòu)時，可縮小集中式外殼，因為在 48V 轉(zhuǎn)換為 12V 負(fù)載的端點可以更高效地散熱。

在 Vicor 進(jìn)行的一項研究中，高密度電源模塊支持的區(qū)域架構(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，在不增加凈重的情況下，電動汽車的行駛里程每年可增加 4000 英里。這一點非常重要，因為美國聯(lián)邦公路管理局 2023 年的數(shù)據(jù)顯示，美國人平均每年開車的行駛里程為 14263 英里。因此，使用 48V 區(qū)域架構(gòu)可減少每年 30% 的充電時間（表 2），并增加車輛一次充電的行駛里程。

表 1：48V 區(qū)域架構(gòu)與高密度電源模塊相結(jié)合，將使緊湊型電動 SUV 減重約 18 公斤（40 磅）。
表 2：增加的行駛里程為司機增加了每次充電的行駛距離，減少每年所需的充電次數(shù)。

創(chuàng)新消除重量顧慮

電動汽車超重，這種趨勢既不能持續(xù)，也不利于電動汽車的整體發(fā)展。采用傳統(tǒng)銀盒和分立式組件的 12V 集中式架構(gòu)需要升級到 48V 區(qū)域架構(gòu)，以優(yōu)化電動汽車的供電網(wǎng)絡(luò)和散熱管理系統(tǒng)。區(qū)域架構(gòu)可將每年的行駛里程增加 4000 英里，也可用于實現(xiàn)額外的安全或電子功能。最高效的區(qū)域架構(gòu)在負(fù)載點使用小型輕量級轉(zhuǎn)換器。高效的高功率密度模塊是 48V 至 12V 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 廠商不僅需要創(chuàng)造性地減輕重量，同時還需要提高性能。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��?OEM 廠商提供高度靈活的可擴展電源解決方案，用于整個車輛的高壓電源轉(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)計的替代方案。此外，小巧緊湊的電源模塊也是 48V 區(qū)域架構(gòu)顯而易見的選擇及合理補充，48V 區(qū)域架構(gòu)是汽車行業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)的未來。