重新定义汽车供电网络：节省重量和成本的绝好机会

最近的几份行业报告证实，电动汽车市场采用率的增长是一个确定而明显的趋势。虽然新冠疫情曾使全球汽车销售暂停，但也使消费者有更多时间去思考他们在更换车辆时的选择，而且似乎许多人正在考虑将电动汽车作为可行的购车选项。然而，也存在许多阻碍消费者广泛采用电动汽车的潜在因素，最显著的两个是续航里程和充电时间。尽管如此，由于许多国家和地区政府正在实施一些改进举措，电动汽车制造商也给与一些特别的优惠，未来几年电动汽车的销量将会大幅增长。

从汽车制造商的角度来看，仍有许多技术挑战需要解决。电动汽车的最初开发是要为早期市场采用者的现有品牌车型增加电动汽车替代产品。然而，该市场领域持续和显著的增长将需要在许多不同的技术层面推进。

例如，电池设计正在新化学物质和构造方法等层面经历重大创新。尽管这些发展仍处于起步阶段，但已经取得了可喜的成果。部署方便且易于使用的电动汽车充电基础设施也需要大量投资。续航里程和充电时间以及价格仍然是消费者最关心的问题，但影响这些的一个关键因素是车辆本身重量。

当今的电动汽车仍然使用 12V 电池为非牵引相关功能供电，例如挡风玻璃雨刷器、座椅舒适控制和信息娱乐系统都采用12V系统。一些制造商目前正在新车型中用 48V 电池替换 12V 电池。

原有的低电压设计

如今所有新车都配备了无数基于电子产品的功能，这与哈德逊汽车公司(Hudson Motor Company)于 1918 年引入标准化电池概念时相去甚远。当下时尚的触摸控制信息娱乐系统通常包含收音机、媒体播放器、 GNSS 导航系统、智能手机集成以及车辆状态和系统配置菜单等功能。此外，车内乘客可以通过智能手机、大容量 SD 卡或在线服务播放音乐。高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 则结合使用雷达、激光雷达和基于机器学习的计算机视觉来实现全面的辅助驾驶，可提供自适应巡航控制 (ACC)、盲点检测和紧急制动等功能。汽车技术的进步令人印象深刻，但它们都继承了过去的原有技术，其中包括用于供电的传统 12V 电池。

对于配备 400V 或 800V 电池组的电动汽车，采用附加的电池和相关的电源管理电子设备来为上述系统供电会产生一些不必要的材料成本。图 1 表明，与内燃机汽车相比，混合动力和纯电动汽车的动力系统架构会变得多么复杂。

在过去，制造商一般是将各个单独系统功能配置在独立的电子控制单元 (ECU) 中，每个单元均由 12V 电源供电，这种用于电源管理和转换的分布式方法会导致高材料清单(BOM)成本。当然，BOM 成本并不是唯一需要考虑的因素，因为 12V主电池和所有电源组件的重量都是重要的有效载荷。例如，12V 启动电池的平均重量为 20 公斤，再加上其它的功率转换组件，整体重量会迅速增加。

从另一个角度来看，就DC/DC 功率转换角度而言，电动汽车动力传动系统需要50kW和更高的功率转换和管理，而传统内燃机汽车功率转换和管理却低于3kW。因此，以最小的空间和最轻的重量实现可靠高效的电源转换变得至关重要。 电动汽车电源架构需要支持驱动动力系统、车载和基础设施充电以及采用原有技术的传统系统。

图 1：内燃机、混合动力和纯电动汽车采用的动力架构比较。(来源：Vicor)

汽车供电架构：不同的方法

Vicor 提出的解决电动汽车开发挑战的一种可行方法是采用虚拟 12V(或 24V/48V)电池，参见图 2。与其依赖单独的 12V 电池，何不创建一个直接来自车辆主400V 或 800V 电池组的虚拟电池?通过这种方法，制造商可以减轻车体重量，同时降低相关的工程、供应链和库存成本。

图 2：采用12V 和 48V虚拟电池实施电动汽车电源架构。(来源： Vicor)

通过将高密度高压(HV)到低压(LV)转换模块整合到现有子系统，Vicor的技术能够实现更高的集成度，并降低 BoM 成本，这也是 OEM 希望实现的目标。

Vicor 解决方案侧重于图 2 所示的输电网络架构的三个方面;充电、转换和配送。

电动汽车充电：电动汽车行业正在逐渐采用 800V 电池组的工作电压，但目前市场部署的大部分电动汽车充电基础设施都是基于最初的 400V 标准。因此，所有新的电动汽车车型都需要能够适应这两种电压水平。高效且简捷的双向转换模块已经面市，可为电池到充电站之间的兼容性提供极其高灵活性、高能效和高密度的可扩展解决方案。

电源转换：使用符合汽车行业标准的高密度 DC/DC 模块对电动汽车主高压电池进行功率转换可为汽车制造商提供可观的重量和空间节省。同样，双向电源转换功能也可提供供电架构设计的灵活性，能够不再需要对 48V 中间能量存储能力的需求，由于其中使用了自高压主电池供电的虚拟 48V 电池，进一步降低了车体重量和系统所占用空间。

虚拟电力配送：在较新的车辆中，48V应用包括全新驱动、转向和线控制动等大功率系统，要满足这些网络的供电需求，同时支持具有更高功率要求的传统 12V 负载(见图 3)，需要仔细考虑系统设计。Vicor 能够提供比传统解决方案体积更小、重量更轻的紧凑型高密度模块解决方案。

图 3：通过车辆高压主电池的虚拟电源架构来支持传统的12V 应用。(来源：Vicor)

重新定义汽车供电架构

汽车原始设备制造商在提高车辆性能和功能的同时，也在努力降低二氧化碳排放量，事实证明电动汽车是最佳选择。然而，同样也是事实证明，尽量降低电动汽车的车体重量以实现更远的续航里程是一项艰巨挑战，而重新定义车辆供电网络架构则可以降低车体重量和系统成本。