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作者：Vicor歐洲汽車業務開發總監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年之后，所有新車均不再使用鉛酸電池，這給OEM廠商尋找替代解決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，不僅可消除對環境有害的電池，同時還可減輕車輛重量并提高整體效率。

12V電池及供電網絡(PDN)是全球標準，支持數百種負載，包括一些與安全密切相關的負載，因此，解決方案既要有創新性，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方案。

在考慮潛在解決方案時，OEM廠商必須考慮幾個重要因素：增加功率來支持性能更好的新特性，提高效率以延長行駛里程并優化熱管理，減少二氧化碳，優化電纜布線，減輕線束重量，以及滿足EMI要求。這些都是這個復雜方程式中的一些變量。

為該方程式求解有兩個主要選項。將12V鉛酸電池替換為12V鋰離子電池是一個選項。雖然它確實可略微減輕重量，但也會保留12VPDN幾十年的傳統，不會產生其它優勢。另一個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。后一種選項優勢眾多，但這兩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電池管理系統（BMS）來控制充電并在汽車的整個生命周期內保持電池的全面工作。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12V鋰離子電池充電并為電氣負載供電。但這不會增加任何優勢。它所增加的只是重量、車輛總體布置的復雜性和系統成本，而且還會降低車輛的整體可靠性。相比之下，消除12V電池，不僅可將汽車重量減少13kg，還可將貨艙空間增大2.4%。

傳統的12VPDN效率低

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

這種傳統架構起源于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電源限制，近年來設計了兩款12V電池，一款用于動力轉向的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，采用使用冗余穩壓器的12V電池。高壓至12V的DC-DC可為12V輸出穩壓，為12V電池充電。車輛中的每個12V負載都有一個前置穩壓器，以提供負載工作所需的適當電壓。圖1：這兩個機器人平臺的規模大不相同，但它們的供電網絡卻有很多共同之處。模塊化方法有助于高度靈活地完成初始設計，通常能加速交付后續電源系統設計。

用虛擬電池替代12V電池

解決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主電池，因此搭載額外的儲能設備無意義。理想的車輛架構是使用一款高壓電池為動力系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）直接從高壓電池（400或800V）虛擬化出來。

圖2：優化的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（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與常規ZVS/ZCS諧振轉換器不同，工作頻率為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，我們將其稱為“變壓”。與常規轉換器相比，這種對電源進行變壓的功能既是重要優勢，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負載的關鍵。瞬態響應為每秒800萬安培(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，不僅可按K因數縮放大小，而且還可使用開關模塊在AC與DC之間進行轉換。開關在高頻率下完成，而且由于具有和變壓器一樣的能量傳輸特性，因此轉換不僅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固定比值。Vicor BCM6135轉換器為隔離式，采用61x35x7毫米封裝提供2.5kW的電源，峰值效率超過97%。它可輕松并聯在陣列中，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范圍內。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1/16的BCM6135可為48V電池實現虛擬化，確保電壓范圍在32.5和57.5V之間。BCM61351/8的比率可用于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BCM的其它特性相同，NBM非隔離母線轉換器具有上述所有優勢：快速瞬態響應、低阻抗和雙向工作。12V母線上的電壓范圍保持在8.125V與14.375V之間，與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電壓范圍均符合VDA320和LV124標準。

圖5：基于BCM6135和NBM2317模塊的12V及48V電池虛擬化E/E架構。48V母線還可作為一個更高效電源，為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系統等。

確保功能安全負載的供電冗余至關重要。Vicor電源模塊在電源與傳輸方面完全可擴展，因此可將其設計成冗余PDN，從而可通過兩條專用電源轉換路徑實現為功能安全至關重要的負載供電。最終，OEM廠商可實施本地化能量存儲，確保ADAS、轉向和剎車等重要系統的功能安全運行。

電動汽車供電網絡將何去何從

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

汽車電氣PDN正處于12V供電的十字路口。試圖保持最少的架構變化的同時，越來越多的嚴格電源負載應用于車輛。特斯拉首席執行官Elon Musk表示：“我們為什么還要用12V電壓？12V只是殘留的電壓，的確太低了。”

OEM廠商正在爭先恐后地設計更好的PDN，為電動汽車提供更大的里程和更高的性能。完全取消12V電池明顯是一個長期解決方案，不僅可減少重量和空間，而且還能提供更好的瞬態響應及系統性能。Vicor技術不僅可實現這些優勢，而且還可提供無與倫比的靈活性、可擴展性和功率密度。Vicor的PDN模塊方案為解決新一代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）擔任北美汽車業務部負責人，主要從事動力系統、信息娛樂系統與ADAS系統的技術銷售。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，領導一個內部設計及應用團隊（是一支“從概念到產品冠軍”團隊），負責安森美在密歇根州底特律的汽車銷售新產品增長戰略。他的工作經歷還包括在大陸汽車公司的9年工程與開發工作，在此期間，他曾在大陸汽車混合動力與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。