作者：Vicor歐洲汽車業(ye) 務開發總監Nicolas Richard

沒錯，汽車12V鉛酸電池即將退出市場。歐洲已頒布法令，2030年之後，所有新車均不再使用鉛酸電池，這給OEM廠商尋找替代解決(jue) 方案帶來了極大的挑戰。雖然這似乎是一項艱巨的任務，但它也可帶來巨大的機遇，不僅(jin) 可消除對環境有害的電池，同時還可減輕車輛重量並提高整體(ti) 效率。

12V電池及供電網絡(PDN)是全球標準，支持數百種負載，包括一些與(yu) 安全密切相關(guan) 的負載，因此，解決(jue) 方案既要有創新性，而且還必須堅固。用來連接高壓、48V和12VPDN的高密度、大功率、高效電源模塊，可針對這一即將出現的挑戰提供具有最高靈活性及可擴展性的解決(jue) 方案。

在考慮潛在解決(jue) 方案時，OEM廠商必須考慮幾個(ge) 重要因素：增加功率來支持性能更好的新特性，提高效率以延長行駛裏程並優(you) 化熱管理，減少二氧化碳，優(you) 化電纜布線，減輕線束重量，以及滿足EMI要求。這些都是這個(ge) 複雜方程式中的一些變量。

為(wei) 該方程式求解有兩(liang) 個(ge) 主要選項。將12V鉛酸電池替換為(wei) 12V鋰離子電池是一個(ge) 選項。雖然它確實可略微減輕重量，但也會(hui) 保留12VPDN幾十年的傳(chuan) 統，不會(hui) 產(chan) 生其它優(you) 勢。另一個(ge) 選項是支持電動汽車和混合動力汽車/插電式混合動力汽車中由400V或800V主電池供電的12VPDN。後一種選項優(you) 勢眾(zhong) 多，但這兩(liang) 種選項都值得進一步探索。

采用12V鋰離子電池

簡單地將12V鉛酸電池替換為(wei) 12V鋰離子電池，的確可節省約55%的重量，但對成本影響很高。12V鋰離子電池需要一個(ge) 電池管理係統（BMS）來控製充電並在汽車的整個(ge) 生命周期內(nei) 保持電池的全麵工作。特斯拉和現代的發展方向就是這樣的。

此外，還需要增加一款從(cong) 高壓到12V的大型DC-DC轉換器（具有電壓和電流調節特性），才能為(wei) 12V鋰離子電池充電並為(wei) 電氣負載供電。但這不會(hui) 增加任何優(you) 勢。它所增加的隻是重量、車輛總體(ti) 布置的複雜性和係統成本，而且還會(hui) 降低車輛的整體(ti) 可靠性。相比之下，消除12V電池，不僅(jin) 可將汽車重量減少13kg，還可將貨艙空間增大2.4%。

傳(chuan) 統的12VPDN效率低

維護一款12V的物理電池，就意味著維護一個(ge) 具有不必要冗餘(yu) 的低效率PDN。在典型的汽車12VPDN中，所有連接12V母線的12V負載都有內(nei) 部前置穩壓器，可將寬輸入電壓範圍（通常從(cong) 6V到16V）轉換為(wei) 5V、3.3V或更低電壓。從(cong) 全球係統角度來看，無論是電動汽車、混合動力汽車，還是插電式混合動力汽車，都有串聯穩壓器冗餘(yu) 。一款從(cong) 高壓到12V的DC-DC轉換器可為(wei) 12V母線（效率高）穩壓，而前置穩壓器則可為(wei) 每個(ge) 負載提供合適的內(nei) 部電壓（圖1）。

這種傳(chuan) 統架構起源於(yu) 汽車配備交流發電機的時代，交流發電機是一種敏感的12VPDN，需要穩壓才能為(wei) 電池充電，在啟動事件中保持無線電工作，或讓車的白熾大燈保持適當亮度。OEM廠商非常有創意地繞過了12V電源限製，近年來設計了兩(liang) 款12V電池，一款用於(yu) 動力轉向的24V電池以及其間的幾款DC-DC轉換器。

圖1：xEV使用的典型E/E，采用使用冗餘(yu) 穩壓器的12V電池。高壓至12V的DC-DC可為(wei) 12V輸出穩壓，為(wei) 12V電池充電。車輛中的每個(ge) 12V負載都有一個(ge) 前置穩壓器，以提供負載工作所需的適當電壓。圖1：這兩(liang) 個(ge) 機器人平台的規模大不相同，但它們(men) 的供電網絡卻有很多共同之處。模塊化方法有助於(yu) 高度靈活地完成初始設計，通常能加速交付後續電源係統設計。

用虛擬電池替代12V電池

解決(jue) 該問題的更好方法是完全重新考慮汽車PDN：取消12V的物理電池，用電動汽車主電池中的12V“虛擬”電池替代（圖2）。每輛電動汽車都有一個(ge) 主電池，因此搭載額外的儲(chu) 能設備無意義(yi) 。理想的車輛架構是使用一款高壓電池為(wei) 動力係統及所有輔助負載供電。Vicor高密度母線轉換器模塊技術可實現這一方案，它將低壓電池（48或12V）直接從(cong) 高壓電池（400或800V）虛擬化出來。

圖2：優(you) 化的E/E架構可取消12V的物理電池。使用Vicor BCM母線轉換器技術轉化高壓電池，可創建虛擬12V電池。

Vicor BCM母線轉換器采用零電壓、零電流開關(guan) （ZVS/ZCS）技術，其工作頻率比常規轉換器高，因此其響應速度比物理電池快。例如，BCM6135與(yu) 常規ZVS/ZCS諧振轉換器不同，工作頻率為(wei) 1.2MHz，該BCM在窄帶頻率下工作（圖3）。BCM的高頻率工作可針對負載電流的變化以及從(cong) 輸入到輸出的低阻抗路徑提供快速響應。固定比率轉換、雙向工作、快速瞬態響應（每秒超過8MA）和低阻抗路徑相結合，可幫助BCM使高壓電池看起來像48V電池，我們(men) 將其稱為(wei) “變壓”。與(yu) 常規轉換器相比，這種對電源進行變壓的功能既是重要優(you) 勢，也是重要的差異化特性。

圖3：BCM6135的快速負載瞬態響應是支持12V負載的關(guan) 鍵。瞬態響應為(wei) 每秒800萬(wan) 安培(8MA/s)。黃色：輸入電壓(800VDC)，紅色：輸出電壓(48V)，藍色：輸出電流。

圖4：BCM母線轉換器的功能框圖。雖然BCM可進行DC-DC轉換，但它還可使用變壓器進行高效的AC-AC轉換，不僅(jin) 可按K因數縮放大小，而且還可使用開關(guan) 模塊在AC與(yu) DC之間進行轉換。開關(guan) 在高頻率下完成，而且由於(yu) 具有和變壓器一樣的能量傳(chuan) 輸特性，因此轉換不僅(jin) 能對瞬態負載變化做出快速響應，而且還可在輸入和輸出之間提供一個(ge) 低阻抗路徑。

Vicor BCM可用作固定比率轉換器，其中輸出電壓是輸入電壓的一個(ge) 固定比值。Vicor BCM6135轉換器為(wei) 隔離式，采用61x35x7毫米封裝提供2.5kW的電源，峰值效率超過97%。它可輕鬆並聯在陣列中，提供更大功率。

該BCM的固定比率屬性可確保虛擬電池保持在其適當的工作範圍內(nei) 。例如，在800V電池供電的電動汽車中，可確保高壓電池在520至920V之間。比率為(wei) 1/16的BCM6135可為(wei) 48V電池實現虛擬化，確保電壓範圍在32.5和57.5V之間。BCM61351/8的比率可用於(yu) 400V電動汽車（圖3）。

電池虛擬化還可使用1/4固定比率轉換器擴展至12V母線。這種情況不需要電流隔離，可以使用Vicor NBM母線轉換器。與(yu) BCM的其它特性相同，NBM非隔離母線轉換器具有上述所有優(you) 勢：快速瞬態響應、低阻抗和雙向工作。12V母線上的電壓範圍保持在8.125V與(yu) 14.375V之間，與(yu) 高壓電池電壓的比率是固定的。BCM和NBM技術是連接汽車各供電網絡的理想變壓器。

表1：采用Vicor BCM/NBM母線轉換器技術的48V母線和12V母線上的最小電壓和最大電壓。48V和12V電壓範圍均符合VDA320和LV124標準。

圖5：基於(yu) BCM6135和NBM2317模塊的12V及48V電池虛擬化E/E架構。48V母線還可作為(wei) 一個(ge) 更高效電源，為(wei) 車輛中的更高負載供電，如空調冷凝器、水泵和主動底盤穩定係統等。

確保功能安全負載的供電冗餘(yu) 至關(guan) 重要。Vicor電源模塊在電源與(yu) 傳(chuan) 輸方麵完全可擴展，因此可將其設計成冗餘(yu) PDN，從(cong) 而可通過兩(liang) 條專(zhuan) 用電源轉換路徑實現為(wei) 功能安全至關(guan) 重要的負載供電。最終，OEM廠商可實施本地化能量存儲(chu) ，確保ADAS、轉向和刹車等重要係統的功能安全運行。

電動汽車供電網絡將何去何從(cong)

12V鉛酸電池將很快退出歐洲市場。鑒於(yu) 所有的創新都推動了電動汽車供電網絡重新設計，這個(ge) 時機非常合適。

汽車電氣PDN正處於(yu) 12V供電的十字路口。試圖保持最少的架構變化的同時，越來越多的嚴(yan) 格電源負載應用於(yu) 車輛。特斯拉首席執行官Elon Musk表示：“我們(men) 為(wei) 什麽(me) 還要用12V電壓？12V隻是殘留的電壓，的確太低了。”

OEM廠商正在爭(zheng) 先恐後地設計更好的PDN，為(wei) 電動汽車提供更大的裏程和更高的性能。完全取消12V電池明顯是一個(ge) 長期解決(jue) 方案，不僅(jin) 可減少重量和空間，而且還能提供更好的瞬態響應及係統性能。Vicor技術不僅(jin) 可實現這些優(you) 勢，而且還可提供無與(yu) 倫(lun) 比的靈活性、可擴展性和功率密度。Vicor的PDN模塊方案為(wei) 解決(jue) 新一代xEV的12V供電網絡的近期挑戰提供理想的構建模塊。

Vicor歐洲汽車業(ye) 務開發總監Nicolas Richard

在加入Vicor之前，Nicolas在IDT（瑞薩電子）擔任北美汽車業(ye) 務部負責人，主要從(cong) 事動力係統、信息娛樂(le) 係統與(yu) ADAS係統的技術銷售。在加入IDT之前，他曾在安森美擔任過4年的現場應用工程師，領導一個(ge) 內(nei) 部設計及應用團隊（是一支“從(cong) 概念到產(chan) 品冠軍(jun) ”團隊），負責安森美在密歇根州底特律的汽車銷售新產(chan) 品增長戰略。他的工作經曆還包括在大陸汽車公司的9年工程與(yu) 開發工作，在此期間，他曾在大陸汽車混合動力與(yu) 電動汽車部門擔任各種工程設計職務，主要設計DC/DC轉換器和牽引逆變器。