48V分布式電源架構重新定義汽車供電

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本文來源：智車科技

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汽車電氣化時代到來已是一個不爭的事實，不過怎麼實現卻是眾說紛紜：純電動（EV）、混合動力（HEV）、插電式混合動力（PHEV）、48V輕混動力（MHEV）和重混動力（HEV），還有燃料電池，不一而足。

在全球環保壓力下，轎車、卡車、公交車及摩托車主機廠都在對其車輛實施電氣化，以提高內燃機的燃油效率，減少二氧化碳排放。

盡管電氣化選擇很多，但大多數主機廠都沒有選擇完全混合動力（Full-hybrid）總成，而是選擇了48V MHEV，除了使用傳統12V電池之外，還新增了一個48V電池。

傳統12V配電已是小馬拉大車

現在大多數汽車仍然在使用電流300安培的12V為車載電器供電，隨著汽車上越來越多的新的耗電型電子驅動和功能的增加（電動啟停、電動轉向、電動懸架、電動渦輪增壓、變速空調，以及音響系統、加熱座椅和可隨動轉向照亮黑暗彎道的前照燈），傳統12V配電總線只能勉強為牽引電機和制動系統提供所需能量。

更重要的是，隨著自動駕駛車輛的出現，激光雷達、攝像頭和超聲波傳感器等都需要高性能圖形處理器來收集、解釋、集成和解釋的系統，對配電系統提出了更高要求。這類處理器非常耗電，使傳統汽車12V配電總線無能為力。即使是高級駕駛員輔助系統（ADAS），12V電氣系統已不能提供所需的能量。未來的車載計算機會消耗上千瓦電力，讓12V系統的功率消耗殆盡。因此，無論是現在的混合動力、純電動汽車，還是未來的自動駕駛汽車，都需要48V系統來承受高耗能的負載。

為什麼是48V技術？

既然問為什麼，就要說說作為一種顛覆性技術的48V總線配電有哪些優勢？業界的一些觀點歸納如下：

·增加動力，減少排放。
功率的增加可以使內燃機更有效地運轉，幫助主機廠更快地滿足排放法規要求。已經推出的具有啟停功能的輕混動力汽車，可以使發動機在滑行、制動或停止時暫時關閉，然後迅速重新啟動，提供部分動力。輕混動力車的電機用於補充內燃機能量，不能單獨為汽車提供動力。

支持傳統12V系統的48V電氣系統

·回收儲存能量。
48V系統采用大容量鋰電池和再生制動系統，通過再生制動或恢複制動，可將汽車減速時損耗的動能轉換為電能，存儲在48V大容量電池中，並能利用回收的能量支持內燃機的電氣裝置。再生制動可以在由停車變為加速行駛時，將所存儲的能量用於推動車輛前行，從而實現比通常更快的速度。

·滿足大功率用電。
48V系統汽車不會發生人們抱怨的12V系統汽車熄火時暖通空調（HVAC）斷電的情形。對於穩定性控制或空調壓縮機等依靠大電流的負載，48V系統可實現安全和舒適的功能，在性能和效率上更勝一籌。

·利用剩餘能量。
存儲的能量可隨時用於車窗除霜或加熱座椅。現在，越來越多主機廠正在使用新型紅外發熱板直接供熱，而不浪費電能來加熱汽車的其餘部分。但是，紅外發熱板的挑戰在於每個座椅需要約500瓦功率，這幾乎是12V電氣系統所無法承受的。

因此，對48V總線配電的需求越來越明顯，但48V MHEV要想在未來一段時間化解汽車電氣化難題，仍需借助供應鏈源頭半導體廠商一臂之力。

眾多主機廠試水48V系統

英飛淩汽車電子事業部副總裁兼高功率業務線總經理Stephan Zizala博士認為：“未來十年，全世界大多數新生產的汽車都將實現部分或完全電氣化。市場調研表明，2020年到2030年，采用48V供電系統和MHEV系統的車型產量有可能增加十倍以上。我們所能做的是為輕混動力汽車的強勁增長做好准備。”

Stephan Zizala：為輕混動力車強勁增長做好准備

根據Navigant的預測，2025年全球新車銷量中48V MHEV動力車可能占據14%的市場份額，而汽油或或柴油發動機的市場份額將減至65%。

目前，48V MHEV市場已出現一大批重要玩家，既有Tier 1，也有主機廠。如博世、大陸、德爾福、法雷奧、奧地利AVL、日立汽車、舍弗勒、福特、通用、菲亞特、克萊斯勒、豐田汽車、日產、本田、奔馳、寶馬、奧迪、現代汽車、三菱汽車、馬自達、斯巴魯等；國內的吉利、長安、北汽、江淮、長城等企業也都在布局48V系統車型。

不管是哪種類型的汽車，要在未來引領市場，就要實現更高的效率，同時減小體積和重量，降低成本，所以必須采用高效率的功率半導體器件，而汽車的電力系統更是重中之重。

混合動力引擎創新案例

2022年，頗負盛名的英國房車錦標賽（BTCC）將增加一個新的維度，成為業界首個采用MHEV汽車的大型房車錦標賽。賽事使用全新德爾塔汽車運動公司（Delta Motorsport）智能功率密集型電池組，無需使用交流發電機，不僅減輕了重量，而且提高了可靠性。

BTCC即將推出MHEV錦標賽

BTCC規定，車手可以戰術性地使用電機提升車輛性能，並提高車輛加速能力。為此，Delta Motorsport設計了新的電池組和相關電子產品。全新的48V鋰離子電池組采用創新型智能電源管理及高功率密度DC-DC轉換器和穩壓系統。電池組為逆變器-電機組合供電，並使用其產生的再生電力，同時高功率密度轉換器可為汽車的所有電路和設備供電。這種架構實現的功率密度和電源管理水平無需使用交流發電機系統，從而進一步減輕重量，提高性能與可靠性。

Delta Motorsport工程總監Nick Carpenter表示，該系統利用模塊化供電網絡（PDN）實現了小體積、輕重量和高性能。混合動力系統的三相無刷電機通過雙向逆變器連接電池，雙向逆變器將電池電源輸送至電機，並將電機產生的再生電力返回到電池。

Nick Carpenter：模塊化PDN可以實現小體積、輕重量和高性能

他介紹說：“在最初前往維修道的限速行駛過程中，電機以純電動模式（僅電機，無內燃機）驅動車輛，然後當駕駛員要求在比賽中提升性能時，電機以MHEV模式（與內燃機一起）驅動車輛。”

看看電池組智能與管理有哪些創新？

·電池組及電池管理系統：可控制所有電池電壓，並確保電池在與電機-逆變器控制器通信的同時，隨時處理可能出現的最大充電和放電電壓。根據電池充電狀態（SoC），系統不斷計算並向控制器提供電池能夠提供或接受電流量的更新信息，在低SoC下降低功率需求，而在高SoC下限制再生發電。系統還可實時監控所有可用電池的溫度，並將結果反饋到可用的功率計算中。此外，如果出現問題，它可以打開接觸器，安全地隔離電池組。

控制和電源管理

·供電網絡：用48VDC電源為四個並聯的DC-DC轉換器供電，後者共同提供高達92安培的13.8V穩壓電源（功率約1.2千瓦）。負載由四個轉換器共擔，盡管只用三個轉換器（即N+1或航空級冗餘）就可以完全支持負載。

混合動力布局

·DC-DC轉換器：電源系統使用四個Vicor DCM3623隔離式穩壓DC-DC轉換器ChiP（封裝級轉換器）電源模塊，從電池組提供13.8V穩壓輸出，電流最高可達92安培。由於其外形小巧，轉換器安裝在與延伸到電池單元之間直接熱接觸的微孔冷卻板上。電池管理系統的數據日志和診斷可記錄DC-DC轉換器的性能，檢查故障狀態，提供車輛所有准確電流量的反饋。ChiP電源模塊

這一模塊化電源組件在最初的電池組測試中表現優異，無需降額運行，也沒有電壓驟降。供電網絡將最大體積留給了供電的電池單元，而不是電源組件本身，這一點至關重要。因此，該供電網絡展現出了極大的優勢，DCM模塊的可擴展性和易於並聯實現了模塊化電源架構，讓Delta在不犧牲功率的前提下實現了所需的小尺寸DC-DC PDN定制。

Delta還采用了一種用於不間斷電源（UPS）的小型60W隔離式轉換器Vicor PI3105，為電池組電子設備供電，以便在與車輛電源隔離時維持安全系統運行；還允許電子設備的供電獨立於車輛，以實現系統檢查的遠程連接。

比對12V與48V供電網絡

未來的汽車將不可避免地需要更小、更輕及更高效的電源產品來滿足日益增長的性能需求。隨著主機廠轉向能夠處理高功率的48V電池，模塊化方法可以通過更小、更輕的線纜和連接器提高供電網絡效率，從而降低功耗和重量。

Vicor應用工程總監Paul Yeaman認為，48V的高密度和高效率對汽車動力至關重要。他說：“對汽車產業來說，48V MHEV系統是快速推出排放更低、行駛里程更遠、油耗更低的全新車輛的捷徑。它還為提高性能並減少二氧化碳排放提供了令人興奮的全新設計選項。”

Paul Yeaman：48V MHEV系統是快速車輛創新的捷徑

對比一下傳統12V集中式架構和48V分布式架構，不難發現，集中式48V-12V DC-DC轉換器（SilverBox）大多很笨重，線束也很粗重，因為使用的是較早的低頻率開關PWM拓撲。此外，它們也會為大量關鍵動力總成系統帶來單點故障。

傳統12V集中式配電架構

48V分布式架構

而采用模塊化電源組件的分布式供電架構使用更小、更低功耗的48-12V轉換器為12V負載的車輛配電。通過簡單的功率方程式P = V I和PLOSS = I2R就可以知道為什麼48V配電比12V更高效。

與12V系統相比，對於給定功率級而言，48V系統電流低四倍、功耗低16倍。在1/4電流下，電纜和連接器更小、更輕，成本也更低。此外，分布式電源架構還有顯著的熱管理及電源系統冗餘優勢。

效率94%和98%的DC-DC轉換器

Yeaman說：“引入48V MHEV系統，一旦完成設計，主機廠就會有很大的優勢。當然，克服對長期存在的12V供電網絡改造的猶豫可能是最大的挑戰。改變供電通常需要經過大量測試的新技術，而且可能還需要尊崇汽車產業的高安全性及高質量標准供電的全新供應商。”

混動和純電動車都可用

增加48V電池，可以為動力總成及底盤系統負載供電，為工程師提供各種選項。不過，現在的選擇是，既可以直接處理48V輸入，也可以保留泵、風扇和電機等原有12V機電負載，無需通過穩壓DC-DC轉換器將48V轉換成12V。

為了管理變革與風險，現有MHEV供電系統在增加48V負載的同時，仍使用數千瓦的大型集中式48V至12V轉換器，將整個汽車的12V電源提供給12V負載。然而，這種集中式架構不僅沒有完全利用48V PDN的優勢，而且也沒有利用現在可用的高級轉換器拓撲、控制系統與封裝的優勢。

Vicor全球汽車業務開發副總裁Patrick Wadden認為：“使用高密度積木式設計的48V分布式電源架構才是更具優勢的做法。而且，不管是混動還是純電動車都可以使用這樣的方法。”

Patrick Wadden：密度積木式設計分布式電源才是最佳做法

分布式供電的模塊化方法的最大優勢是高度可擴展性。

混合動力車：
根據不同分布式負載的電源分析，可以設計一個模塊並對其進行適當功率粒度及擴展性認證，用於並行陣列擴展。通過使用分布式模塊代替大型集中式DC-DC轉換器，能夠以顯著降低的成本實現N+1冗餘。如果在汽車開發階段負載功率有變，該方法依然有優勢。工程師可以增減模塊，無需對整個已完成定制電源進行修改。另一個設計優勢是縮短開發時間，因為模塊已獲得了相應認證。

混合動力車的模塊化方法

純電動汽車：由於動力總成和底盤系統的高功率需求，需要使用高壓電池。48V SELV（安全特低電壓）PDN對主機廠來說仍然有很大好處，但是，現在電力系統設計者面臨著一個額外的挑戰，即高功率800V或400V至48V的轉換。

由於400V或800V配電的安全性要求，這種高壓隔離轉換器的分散非常困難而昂貴。然而，可利用電源模塊設計一種大功率集中式定比轉換器來代替大型SilverBox DC-DC轉換器。

那麼，就可以使用適當粒度和可擴展性級別的電源模塊，然後很容易並聯起來滿足一系列具有不同動力系統和底盤電氣化要求的車輛。

純電動車的模塊化方法

48V系統的未來

在汽車市場上，48V電源技術正在迅速發展，以充分滿足純電動汽車、混合動力汽車以及輕度混合動力汽車的需求。分布式模塊化的汽車供電架構可簡化複雜的供電挑戰，從而提高性能和生產力，縮短上市時間。

還有最重要的一點，輕混動力48V系統能以30%的成本提供完全混合動力汽車70%的好處，特別是在節能減排方面效果不錯。- End -