|
作者：Vicor 公司APAC汽車(chē)業(yè)務(wù)發(fā)展總監 全永森 ( YS Jun) “如果您覺(jué)得一切都在掌握之中，那就是您的速度還不夠快�！薄� Mario Andretti 多年來(lái)，汽車(chē)制造商不斷面臨對更大功率需求的挑戰。在早期，汽車(chē)使用 6V 電池供電，直到 20 世紀 50 年代中期，汽車(chē)系統演變?yōu)?12V 電源，以滿(mǎn)足對更大功率的永久需求。汽車(chē)制造商不僅需要為車(chē)窗、轉向系統和座椅預測新的供電需求，而且更多電源對于新型高壓發(fā)動(dòng)機而言也至關(guān)重要。 最近，在 CO2 排放合規性的刺激下，OEM 廠(chǎng)商不得不重新考慮如何再次為汽車(chē)供電。雖然 OEM 廠(chǎng)商正在推出電動(dòng)汽車(chē)，以達到這些標準，但目前還沒(méi)有一種統一方法，來(lái)為電機以及車(chē)輛的所有子系統供電。 電源需求的急劇增加使得這一不足更加明顯。內燃機汽車(chē)的電源功率通常在 600W 到 3kW 之間。全新電氣化電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē) (xEV) 都需要 3kW 到 60kW 以上的功率，比原有功率高 5 — 20 倍。 5 — 20 倍的提升會(huì )給車(chē)輛供電網(wǎng)絡(luò ) (PDN) 的尺寸、重量及復雜性帶來(lái)巨大壓力。這些需求將會(huì )給能源效率、可靠性甚至舒適性和安全性帶來(lái)負面影響，因為增加的尺寸和重量會(huì )導致車(chē)輛特性方面做出妥協(xié)。如果汽車(chē)制造商繼續采用傳統供電方式，根本就沒(méi)有足夠的空間來(lái)滿(mǎn)足所有電氣需求。要應對這一挑戰，他們需要找到一種輕便緊湊的解決方案，不僅可緩解電源體積的明顯增長(cháng)，而且具有靈活性，可在整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)中重復使用。 除了主要技術(shù)挑戰外，OEM 廠(chǎng)商也在給自己增大壓力，承諾在未來(lái) 10 年內實(shí)現產(chǎn)品全面電氣化（圖 1），盡管如何實(shí)現這一目標的具體細節仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。在整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)上，為電氣化實(shí)現標準化還沒(méi)有明確的途徑。因此，雖然 OEM 廠(chǎng)商可能目標一致，但他們設計的 PDN 將會(huì )大相徑庭。 
圖1：到 2030 年，純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 將占所有 xEV 的 45% 為電氣化發(fā)展勢頭加足馬力 多年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)量不足全球汽車(chē)總產(chǎn)量的 1%。瑞士信貸全球汽車(chē)研究中心團隊數據顯示，這一比例將從 2020 年的 11% 飆升至 2030 年的 62%，全球汽車(chē)銷(xiāo)量將達到 6,300 萬(wàn)輛。其中近一半（2900 萬(wàn)）有望全面實(shí)現電氣化。
圖2：OEM 廠(chǎng)商已為其產(chǎn)品線(xiàn)電氣化制定積極目標。這些目標是打造世界級 xEV 平臺的催化劑。 什么是電動(dòng)汽車(chē)爆炸式增長(cháng)的推動(dòng)因素？雖然排放達標和政府激勵措施啟動(dòng)了這一進(jìn)程，但正是消費者的欲望帶來(lái)了這一巨大需求，使得 OEM 廠(chǎng)商將電動(dòng)汽車(chē)從細分市場(chǎng)推向主流市場(chǎng)。這些 OEM 廠(chǎng)商現在做出了大膽的承諾。（圖 2） OEM 廠(chǎng)商現在正在為一些最普及、最受青睞的汽車(chē)實(shí)現電氣化。通用悍馬、福特新款 Mach E（電動(dòng)野馬）和現在的旗艦車(chē)型 F150 輕型卡車(chē)（閃電）正在實(shí)現電氣化。這些車(chē)型正吸引著(zhù)大眾的目光，因為它們具有令人振奮的性能提升和時(shí)尚的設計。 這些新型汽車(chē)具有更好的快速充電技術(shù)和更低的維護及維修成本，是刺激消費需求，增加電動(dòng)汽車(chē)使用率的催化劑。消費者看到了價(jià)值，因此增長(cháng)勢頭越來(lái)越大。 高風(fēng)險、高性能電氣化挑戰 汽車(chē)平臺的數量、消費者選項、不同的動(dòng)力系統架構以及電池及充電配置的選擇，都增加汽車(chē)電氣化的復雜性，動(dòng)力系統設計人員必須解決。 為了優(yōu)化汽車(chē)電氣化，OEM 廠(chǎng)商需要提高功率水平，縮減供電網(wǎng)絡(luò )尺寸和重量，并提供更好的熱管理及可重復使用性。設計電源系統的傳統方法必須從復雜的定制分立式設計過(guò)渡到更小、更靈活、更易于使用、更高密度的模塊化解決方案。 加快電氣化的步伐 為了實(shí)現積極的電氣化目標，OEM 廠(chǎng)商必須重新考慮其供電架構方案。除了找到高效解決方案外，加速和優(yōu)化電氣化還必須滿(mǎn)足三大要求。 1. 功率密度：無(wú)論是設計一輛速度很快的跑車(chē)、一輛輕型卡車(chē)還是一輛家用汽車(chē)，OEM 廠(chǎng)商都需要在有限的空間內提供盡可能多的電源。汽車(chē)需要緊湊高效的電源解決方案。 2. 靈活性/可擴展性：各車(chē)系有許多車(chē)輛使用同一個(gè)平臺，因此當修改共享同一個(gè)平臺的轎車(chē)、小型貨車(chē)和 SUV 等車(chē)型的電源時(shí)，便捷的電源擴展非常重要。 3. 可重復使用性：為了實(shí)現全車(chē)系電氣化，OEM 廠(chǎng)商需要能夠在不同車(chē)型之間重復使用電源設計，以加速上市進(jìn)程。 功率密度 各種 xEV 平臺上使用的電源電子產(chǎn)品的尺寸和重量直接關(guān)系到車(chē)輛性能、能源效率以及電池續航里程。為了跑得更遠更快，OEM 廠(chǎng)商正在積極縮減其電源電子產(chǎn)品的尺寸和重量，并鼓勵研發(fā)團隊降低車(chē)輛重量。
圖3：減小供電網(wǎng)絡(luò )的尺寸和重量是新一代 xEV 平臺的關(guān)鍵因素。例如，功率為 2.5kW 的Vicor BCM6135 可以放在手心里。 Vicor 一個(gè)效率為 98% 的小型母線(xiàn)轉換器模塊 (BCM6135) 重量?jì)H為 68 克，可輕松與 EMI 濾波、更小的散熱結構和外殼相結合，取代 25 公斤的 48V 電池。這不僅可釋放大量的空間和載荷重量，而且還可節省 125 至 250 歐元的減重研發(fā)成本。高密度電源模塊在一個(gè) 61 × 35 × 7 毫米的小型封裝中將 400 ~ 800V 的主電池轉換為 48V，可提供 2kW 以上的功率，功率密度超過(guò) 4.3kW/in3（圖 3） 靈活性/可擴展性 OEM 廠(chǎng)商設計人員盡可能將集成在車(chē)內的子系統實(shí)現標準化，以節省時(shí)間、資金和資源。然而，隨汽車(chē)內飾的不同等級需要不同的設計，每個(gè)子系統都會(huì )略有不同。由于汽車(chē)電氣化的發(fā)展，電源系統設計團隊面臨供電要求不斷變化的挑戰。Vicor 提供的靈活、可擴展模塊化電源系統設計方法允許設計人員在各種動(dòng)力系統（如 SUV、廂式貨車(chē)或輕型卡車(chē)）上實(shí)施標準化解決方案。 例如，一輛廂式貨車(chē)的電源要求可能是 5kW，但為一輛配備短排燈、拖具與犁具以及交流發(fā)電機的輕型卡車(chē)供電可能需要 10kW。使用相同的平臺和一點(diǎn)額外的空間，工程師可快速在陣列中添加或移除預審合格的部件，以增大或減小功率。 此外，模塊化的設計還可通過(guò) 48V 母線(xiàn)實(shí)現分布式電源架構，提供更高的靈活性。電源模塊可布置在方便的位置進(jìn)行 局部48V/12V轉換，可以在儲物箱后面，靠近后備箱，也可以在每個(gè)輪子旁邊。部署模塊化解決方案，不僅可以提供設計靈活性，而且提供了一種更好的方式來(lái)優(yōu)化電源變化和制造流程。
圖 4 四個(gè)高功率密度模塊能夠以 300 多種不同的方式組合在一起，支持不同的電源需求和大量不同類(lèi)型的負載，這一事實(shí)最能說(shuō)明模塊化的影響。 可重復使用性 在汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一種最常見(jiàn)的延遲是汽車(chē)所用電子組件的審批。有時(shí)這一過(guò)程可能需要長(cháng)達兩到三年才能通過(guò)，才能為單個(gè)組件獲得生產(chǎn)件批準程序。研發(fā)團隊通常會(huì )想辦法重復使用已有組件，以節省開(kāi)發(fā)及審批時(shí)間，節省寶貴的資源。 例如，基于分立式 DC-DC 轉換器設計的傳統 PDN 可能由 200 多個(gè)體積龐大的組件組成，然而 Vicor 的先進(jìn)技術(shù)則只提供單個(gè)高密度電源模塊。對于工程設計團隊來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現相同的功能，認證一個(gè)模塊與認證 200 多款獨立組件相比，省時(shí)下的時(shí)間是非常顯著(zhù)的。 此外，Vicor 模塊化方法還允許工程師通過(guò)使用三到四個(gè)不同類(lèi)型的可擴展構件模塊，實(shí)現大約 300 種供電組合。（圖 4）這種設計方法總共可節省數百個(gè)小時(shí)的時(shí)間和資源，能夠幫助 OEM 廠(chǎng)商在電氣化競爭中處于領(lǐng)先地位。 最后沖刺 OEM 廠(chǎng)商正面臨巨大的挑戰，不僅要跨越電氣化的終點(diǎn)線(xiàn)，而且還要完成 xEV 系列的設計，帶來(lái)長(cháng)期效益。采用模塊化電源系統設計方法，可在這個(gè)重要的市場(chǎng)份額競爭中提供競爭優(yōu)勢�，F在需要以全新架構和拓撲的形式進(jìn)行創(chuàng )新，其不僅可提供當前最高的性能，而且以后還可重復使用、重新配置。 傳統的電源設計無(wú)法滿(mǎn)足這種程度的靈活性和易用性。對于 OEM 廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，要實(shí)現積極的電氣化目標，最好采用模塊化方法，不僅可在多個(gè)重要層面提供最高性能，而且還可幫助他們滿(mǎn)足最復雜的 xEV 電源需求。 ______________________________________________________________________________ 全永森 ( YS Jun), 現任 Vicor 公司APAC汽車(chē)業(yè)務(wù)發(fā)展總監。郵箱：YJun@vicr.com Vicor 公司是高性能電源模塊的領(lǐng)導企業(yè)，始終致力于為我們的客戶(hù)解決最艱巨的電源挑戰，幫助他們實(shí)現創(chuàng )新，最大限度提高系統性能。我們簡(jiǎn) 單易用的電源模塊提供極高的密度和效率，可實(shí)現從電源到負載點(diǎn)的先進(jìn)供電網(wǎng)絡(luò )。Vicor 總部位于美國馬薩諸塞州安多弗，主要為全球客戶(hù)提供 無(wú)與倫比的電源轉換與供電技術(shù)。 |
