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作者：Vicor 公司APAC汽車業務發展總監 全永森 ( YS Jun) “如果您覺得一切都在掌握之中，那就是您的速度還不夠快。”— Mario Andretti 多年來，汽車制造商不斷面臨對更大功率需求的挑戰。在早期，汽車使用 6V 電池供電，直到 20 世紀 50 年代中期，汽車系統演變為 12V 電源，以滿足對更大功率的永久需求。汽車制造商不僅需要為車窗、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動機而言也至關重要。 最近，在 CO2 排放合規性的刺激下，OEM 廠商不得不重新考慮如何再次為汽車供電。雖然 OEM 廠商正在推出電動汽車，以達到這些標準，但目前還沒有一種統一方法，來為電機以及車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。內燃機汽車的電源功率通常在 600W 到 3kW 之間。全新電氣化電動汽車、混合動力汽車和插電式混合動力汽車 (xEV) 都需要 3kW 到 60kW 以上的功率，比原有功率高 5 — 20 倍。 5 — 20 倍的提升會給車輛供電網絡 (PDN) 的尺寸、重量及復雜性帶來巨大壓力。這些需求將會給能源效率、可靠性甚至舒適性和安全性帶來負面影響，因為增加的尺寸和重量會導致車輛特性方面做出妥協。如果汽車制造商繼續采用傳統供電方式，根本就沒有足夠的空間來滿足所有電氣需求。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，而且具有靈活性，可在整個產品線中重復使用。 除了主要技術挑戰外，OEM 廠商也在給自己增大壓力，承諾在未來 10 年內實現產品全面電氣化（圖 1），盡管如何實現這一目標的具體細節仍是一個懸而未決的問題。在整個電動汽車市場上，為電氣化實現標準化還沒有明確的途徑。因此，雖然 OEM 廠商可能目標一致，但他們設計的 PDN 將會大相徑庭。 
圖1：到 2030 年，純電動汽車 (BEV) 將占所有 xEV 的 45% 為電氣化發展勢頭加足馬力 多年來，電動汽車的產量不足全球汽車總產量的 1%。瑞士信貸全球汽車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%，全球汽車銷量將達到 6,300 萬輛。其中近一半（2900 萬）有望全面實現電氣化。
圖2：OEM 廠商已為其產品線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。 什么是電動汽車爆炸式增長的推動因素？雖然排放達標和政府激勵措施啟動了這一進程，但正是消費者的欲望帶來了這一巨大需求，使得 OEM 廠商將電動汽車從細分市場推向主流市場。這些 OEM 廠商現在做出了大膽的承諾。（圖 2） OEM 廠商現在正在為一些最普及、最受青睞的汽車實現電氣化。通用悍馬、福特新款 Mach E（電動野馬）和現在的旗艦車型 F150 輕型卡車（閃電）正在實現電氣化。這些車型正吸引著大眾的目光，因為它們具有令人振奮的性能提升和時尚的設計。 這些新型汽車具有更好的快速充電技術和更低的維護及維修成本，是刺激消費需求，增加電動汽車使用率的催化劑。消費者看到了價值，因此增長勢頭越來越大。 高風險、高性能電氣化挑戰 汽車平臺的數量、消費者選項、不同的動力系統架構以及電池及充電配置的選擇，都增加汽車電氣化的復雜性，動力系統設計人員必須解決。 為了優化汽車電氣化，OEM 廠商需要提高功率水平，縮減供電網絡尺寸和重量，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 為了實現積極的電氣化目標，OEM 廠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，加速和優化電氣化還必須滿足三大要求。 1. 功率密度：無論是設計一輛速度很快的跑車、一輛輕型卡車還是一輛家用汽車，OEM 廠商都需要在有限的空間內提供盡可能多的電源。汽車需要緊湊高效的電源解決方案。 2. 靈活性/可擴展性：各車系有許多車輛使用同一個平臺，因此當修改共享同一個平臺的轎車、小型貨車和 SUV 等車型的電源時，便捷的電源擴展非常重要。 3. 可重復使用性：為了實現全車系電氣化，OEM 廠商需要能夠在不同車型之間重復使用電源設計，以加速上市進程。 功率密度 各種 xEV 平臺上使用的電源電子產品的尺寸和重量直接關系到車輛性能、能源效率以及電池續航里程。為了跑得更遠更快，OEM 廠商正在積極縮減其電源電子產品的尺寸和重量，并鼓勵研發團隊降低車輛重量。
圖3：減小供電網絡的尺寸和重量是新一代 xEV 平臺的關鍵因素。例如，功率為 2.5kW 的Vicor BCM6135 可以放在手心里。 Vicor 一個效率為 98% 的小型母線轉換器模塊 (BCM6135) 重量僅為 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 歐元的減重研發成本。高密度電源模塊在一個 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 4.3kW/in3（圖 3） 靈活性/可擴展性 OEM 廠商設計人員盡可能將集成在車內的子系統實現標準化，以節省時間、資金和資源。然而，隨汽車內飾的不同等級需要不同的設計，每個子系統都會略有不同。由于汽車電氣化的發展，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力系統（如 SUV、廂式貨車或輕型卡車）上實施標準化解決方案。 例如，一輛廂式貨車的電源要求可能是 5kW，但為一輛配備短排燈、拖具與犁具以及交流發電機的輕型卡車供電可能需要 10kW。使用相同的平臺和一點額外的空間，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 48V 母線實現分布式電源架構，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優化電源變化和制造流程。
圖 4 四個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型的負載，這一事實最能說明模塊化的影響。 可重復使用性 在汽車開發過程中，一種最常見的延遲是汽車所用電子組件的審批。有時這一過程可能需要長達兩到三年才能通過，才能為單個組件獲得生產件批準程序。研發團隊通常會想辦法重復使用已有組件，以節省開發及審批時間，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 多個體積龐大的組件組成，然而 Vicor 的先進技術則只提供單個高密度電源模塊。對于工程設計團隊來說，為了實現相同的功能，認證一個模塊與認證 200 多款獨立組件相比，省時下的時間是非常顯著的。 此外，Vicor 模塊化方法還允許工程師通過使用三到四個不同類型的可擴展構件模塊，實現大約 300 種供電組合。（圖 4）這種設計方法總共可節省數百個小時的時間和資源，能夠幫助 OEM 廠商在電氣化競爭中處于領先地位。 最后沖刺 OEM 廠商正面臨巨大的挑戰，不僅要跨越電氣化的終點線，而且還要完成 xEV 系列的設計，帶來長期效益。采用模塊化電源系統設計方法，可在這個重要的市場份額競爭中提供競爭優勢。現在需要以全新架構和拓撲的形式進行創新，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。 傳統的電源設計無法滿足這種程度的靈活性和易用性。對于 OEM 廠商來說，要實現積極的電氣化目標，最好采用模塊化方法，不僅可在多個重要層面提供最高性能，而且還可幫助他們滿足最復雜的 xEV 電源需求。 ______________________________________________________________________________ 全永森 ( YS Jun), 現任 Vicor 公司APAC汽車業務發展總監。郵箱：YJun@vicr.com Vicor 公司是高性能電源模塊的領導企業，始終致力于為我們的客戶解決最艱巨的電源挑戰，幫助他們實現創新，最大限度提高系統性能。我們簡 單易用的電源模塊提供極高的密度和效率，可實現從電源到負載點的先進供電網絡。Vicor 總部位于美國馬薩諸塞州安多弗，主要為全球客戶提供 無與倫比的電源轉換與供電技術。 |
