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多年来汽车制造商不断面临对更大功率需求的挑战。在早期汽车使用 6V 电池供电直到 20 世纪 50 年代中期汽车系统演变为 12V 电源以满足对更大功率的永久需求。汽车制造商不仅需要为车窗、转向系统和座椅预测新的供电需求而且更多电源对于新型高压发动机而言也至关重要。
最近在 CO2 排放合规性的刺激下OEM 厂商不得不重新考虑如何再次为汽车供电。虽然 OEM 厂商正在推出电动汽车以达到这些标准但目前还没有一种统一方法来为电机以及车辆的所有子系统供电。 电源需求的急剧增加使得这一不足更加明显。内燃机汽车的电源功率通常在 600W 到 3kW 之间。全新电气化电动汽车、混合动力汽车和插电式混合动力汽车 (xEV) 都需要 3kW 到 60kW 以上的功率比原有功率高 5 — 20 倍。
5 — 20 倍的提升会给车辆供电网络 (PDN) 的尺寸、重量及复杂性带来巨大压力。这些需求将会给能源效率、可靠性甚至舒适性和安全性带来负面影响因为增加的尺寸和重量会导致车辆特性方面做出妥协。如果汽车制造商继续采用传统供电方式根本就没有足够的空间来满足所有电气需求。要应对这一挑战他们需要找到一种轻便紧凑的解决方案不仅可缓解电源体积的明显增长而且具有灵活性可在整个产品线中重复使用。
除了主要技术挑战外OEM 厂商也在给自己增大压力承诺在未来 10 年内实现产品全面电气化图 1尽管如何实现这一目标的具体细节仍是一个悬而未决的问题。在整个电动汽车市场上为电气化实现标准化还没有明确的途径。因此虽然 OEM 厂商可能目标一致但他们设计的 PDN 将会大相径庭。
图1到 2030 年纯电动汽车 (BEV) 将占所有 xEV 的 45%
为电气化发展势头加足马力
多年来电动汽车的产量不足全球汽车总产量的 1%。瑞士信贷全球汽车研究中心团队数据显示这一比例将从 2020 年的 11% 飙升至 2030 年的 62%全球汽车销量将达到 6,300 万辆。其中近一半2900 万有望全面实现电气化。 图2OEM 厂商已为其产品线电气化制定积极目标。 这些目标是打造世界级 xEV 平台的催化剂。
什么是电动汽车爆炸式增长的推动因素虽然排放达标和政府激励措施启动了这一进程但正是消费者的欲望带来了这一巨大需求使得 OEM 厂商将电动汽车从细分市场推向主流市场。这些 OEM 厂商现在做出了大胆的承诺。图 2
OEM 厂商现在正在为一些最普及、最受青睐的汽车实现电气化。通用悍马、福特新款 Mach E电动野马和现在的旗舰车型 F150 轻型卡车闪电正在实现电气化。这些车型正吸引着大众的目光因为它们具有令人振奋的性能提升和时尚的设计。 这些新型汽车具有更好的快速充电技术和更低的维护及维修成本是刺激消费需求增加电动汽车使用率的催化剂。消费者看到了价值因此增长势头越来越大。
高风险、高性能电气化挑战
汽车平台的数量、消费者选项、不同的动力系统架构以及电池及充电配置的选择都增加汽车电气化的复杂性动力系统设计人员必须解决。
为了优化汽车电气化OEM 厂商需要提高功率水平缩减供电网络尺寸和重量并提供更好的热管理及可重复使用性。设计电源系统的传统方法必须从复杂的定制分立式设计过渡到更小、更灵活、更易于使用、更高密度的模块化解决方案。
加快电气化的步伐
为了实现积极的电气化目标OEM 厂商必须重新考虑其供电架构方案。除了找到高效解决方案外加速和优化电气化还必须满足三大要求。 功率密度无论是设计一辆速度很快的跑车、一辆轻型卡车还是一辆家用汽车OEM 厂商都需要在有限的空间内提供尽可能多的电源。汽车需要紧凑高效的电源解决方案。 灵活性/可扩展性各车系有许多车辆使用同一个平台因此当修改共享同一个平台的轿车、小型货车和 SUV 等车型的电源时便捷的电源扩展非常重要。 可重复使用性为了实现全车系电气化OEM 厂商需要能够在不同车型之间重复使用电源设计以加速上市进程。
功率密度
各种 xEV 平台上使用的电源电子产品的尺寸和重量直接关系到车辆性能、能源效率以及电池续航里程。为了跑得更远更快OEM 厂商正在积极缩减其电源电子产品的尺寸和重量并鼓励研发团队降低车辆重量。 图3减小供电网络的尺寸和重量是新一代 xEV 平台的关键因素。例如功率为 2.5kW 的Vicor BCM6135 可以放在手心里。
Vicor 一个效率为 98% 的小型母线转换器模块 (BCM6135) 重量仅为 68 克可轻松与 EMI 滤波、更小的散热结构和外壳相结合取代 25 公斤的 48V 电池。这不仅可释放大量的空间和载荷重量而且还可节省 125 至 250 欧元的减重研发成本。高密度电源模块在一个 61 × 35 × 7 毫米的小型封装中将 400 ~ 800V 的主电池转换为 48V可提供 2kW 以上的功率功率密度超过 4.3kW/in3图 3
灵活性/可扩展性
OEM 厂商设计人员尽可能将集成在车内的子系统实现标准化以节省时间、资金和资源。然而随汽车内饰的不同等级需要不同的设计每个子系统都会略有不同。由于汽车电气化的发展电源系统设计团队面临供电要求不断变化的挑战。Vicor 提供的灵活、可扩展模块化电源系统设计方法允许设计人员在各种动力系统如 SUV、厢式货车或轻型卡车上实施标准化解决方案。
例如一辆厢式货车的电源要求可能是 5kW但为一辆配备短排灯、拖具与犁具以及交流发电机的轻型卡车供电可能需要 10kW。使用相同的平台和一点额外的空间工程师可快速在阵列中添加或移除预审合格的部件以增大或减小功率。 此外模块化的设计还可通过 48V 母线实现分布式电源架构提供更高的灵活性。电源模块可布置在方便的位置进行 局部48V/12V转换可以在储物箱后面靠近后备箱也可以在每个轮子旁边。部署模块化解决方案不仅可以提供设计灵活性而且提供了一种更好的方式来优化电源变化和制造流程。 图 4 四个高功率密度模块能够以 300 多种不同的方式组合在一起支持不同的电源需求和大量不同类型的负载这一事实最能说明模块化的影响。
可重复使用性
在汽车开发过程中一种最常见的延迟是汽车所用电子组件的审批。有时这一过程可能需要长达两到三年才能通过才能为单个组件获得生产件批准程序。研发团队通常会想办法重复使用已有组件以节省开发及审批时间节省宝贵的资源。
例如基于分立式 DC-DC 转换器设计的传统 PDN 可能由 200 多个体积庞大的组件组成然而 Vicor 的先进技术则只提供单个高密度电源模块。对于工程设计团队来说为了实现相同的功能认证一个模块与认证 200 多款独立组件相比省时下的时间是非常显著的。
此外Vicor 模块化方法还允许工程师通过使用三到四个不同类型的可扩展构件模块实现大约 300 种供电组合。图 4这种设计方法总共可节省数百个小时的时间和资源能够帮助 OEM 厂商在电气化竞争中处于领先地位。
最后冲刺
OEM 厂商正面临巨大的挑战不仅要跨越电气化的终点线而且还要完成 xEV 系列的设计带来长期效益。采用模块化电源系统设计方法可在这个重要的市场份额竞争中提供竞争优势。现在需要以全新架构和拓扑的形式进行创新其不仅可提供当前最高的性能而且以后还可重复使用、重新配置。
传统的电源设计无法满足这种程度的灵活性和易用性。对于 OEM 厂商来说要实现积极的电气化目标最好采用模块化方法不仅可在多个重要层面提供最高性能而且还可帮助他们满足最复杂的 xEV 电源需求。
