模块化方法解决 48V 汽车电源架构电气化难题

轿车、卡车、公交车和摩托车制造商正迅速推进车辆的电气化改造，目的是提升内燃机的燃油经济性并降低二氧化碳排放。在电气化的多种方案中，大多数厂商倾向于采用48V轻度混合动力系统，而不是全面混合动力技术。这种轻度混合动力系统在原有的12V电池基础上，增加了一块48V电池，使得电量提升了4倍（功率P等于电压V乘以电流I），这足以应对空调和启动时催化剂转换器等重负载。48V系统能够为混合动力电机提供动力，实现节油并提升加速的快速性和平顺性，进而提高车辆性能。此外，额外的电力还能支持转向、制动和悬挂系统，以及一系列全新的安全、娱乐和舒适性功能。48V轻度混合动力系统为推出更低排放、更长续航、更经济油耗的新车型提供了一条快速路径，并且开启了令人激动的新设计可能，以实现更高性能的同时减少碳排放。

然而，对于调整长期使用的12V供电网络（PDN），人们普遍持有犹豫态度。这种改变需要采用经过广泛测试的新技术，并且需要能够为汽车行业提供符合高安全性和高质量标准的新供应商。

最大化 48V PDN

增加48V电池后，工程师们对于更重的动力总成和底盘系统负载有了多样化的供电选择。目前，工程师们面临一个选择，即是否采用能够直接处理48V输入的系统，或者继续使用原有的12V机电负载，如泵、风扇和电机，而不必通过DC-DC转换器将48V电压转换为12V。为了控制变革过程中的变化和风险，现有的轻度混合动力供电系统正在逐步集成48V负载，但仍然依赖于大型集中式的数千瓦48V至12V转换器，以为整个车辆提供12V电源。然而，这种集中式的设计方法并未完全发挥48V供电网络（PDN）的潜力，同时也未能充分利用当前可用的先进转换器拓扑、控制系统和封装技术的优势。

图 1：传统 12V 集中式架构

图 2：48V 分布式架构或分区架构

这些集中式的DC-DC转换器（如图1所示）大多体积庞大，这是因为它们采用了较为陈旧的低频PWM开关拓扑。同时，它们也构成了动力总成系统中一个重要的单点故障源。

另一种值得考虑的方案是采用模块化电源组件实现分布式供电（如图2所示）。这种供电结构采用了更小、功耗更低的48至12V转换器，它们被分布在车辆的各个部分，靠近12V负载的位置。通过简单的功率公式P = V • I和功率损耗公式PLOSS = I²R，我们可以理解为什么48V配电系统比12V系统更有效率。

在相同的功率输出下，48V系统的电流仅为12V系统的四分之一，因此损耗(I²R)急剧下降到原来的1/16。在四分之一的电流下，电缆和连接器可以更小、更轻，并且成本也更低。此外，分布式电源架构在热管理和电源系统冗余方面也具有显著优势（如图4所示）。这是一种无需顾虑传统DC-DC转换器的重量、散热和体积问题，就能在车辆中传输数千瓦电力的新方法。

图 3：标准 DC-DC 转换器效率为 94%

图 4：Vicor DC-DC 转换器效率为 98%

分布式架构或分区架构的模块化

分布式供电（图 4）的模块化方法具有高度的可扩展性。

电池的 48V 输出分配给车内各种高功率负载，最大限度地提高更低电流（4 倍）及更低功耗（16 倍）的优势，而且还可实现更小、更轻的 PDN。根据对不同分布式负载的负载电源分析，在并联阵列中使用时，可以针对适当功率粒度设计和认证一个模块，并可向上扩展系统的功率水平。

本实例展示了一个 2kW 模块。如前文所述，粒度和可扩展性具有系统依赖性。使用分布式模块代替大型集中式 DC-DC 转换器，也能够以显著降低的成本实现 N+1 冗余。此外，如果负载功耗在汽车开发阶段发生改变，该方法仍然有优势。工程师可以增减模块，无需对整个完成的定制电源进行修改。此外，该模块已经获得批准和认证，可减少开发时间。

实施分布式或分区模块化 48V 架构

图 5：全电动化汽车的模块化方法

纯电动汽车或高性能混合动力汽车通常会采用高电压电池，以满足动力总成和底盘系统的高功率需求。尽管如此，48V安全特低电压（SELV）供电网络对于原始设备制造商（OEM）来说仍具有明显优势。当前，电源系统设计师们面临着800V至48V或400V至48V高功率转换的新挑战。

这种高功率DC-DC转换器需要隔离功能，但不需要稳压功能。通过使用稳压点负载（PoL）转换器，上游的高功率转换器可以采用固定比率拓扑。这种方法具有显著优势，因为800/48和400/48的输入输出电压比分别为16:1或8:1，如图5所示。在这样的宽电压范围内使用稳压转换器不仅效率低下，而且会给散热管理带来极大挑战。OEM通常将这种高效的降压解决方案安装在电池组内部，有时甚至可以省去电池。Vicor的固定比率高压转换产品能够以快速的响应速度实现快速电流传输，从而使OEM能够减少12至14公斤的48V电池重量。

由于400V或800V配电系统的安全要求，分散这种高电压隔离转换器的实施既复杂又成本高昂。然而，高功率的集中式固定比率转换器可以使用电源模块来替代大型“银盒”DC-DC转换器。

可以开发具有适当粒度和可扩展性的电源模块，它们可以轻松并联，以适应不同动力总成和底盘电气化要求的一系列车辆。此外，Vicor的BCM固定比率母线转换器是双向的，支持各种能源回收方案。BCM采用正弦振幅转换器（SAC）的高频软开关拓扑，因此可以实现超过98%的效率。它们还拥有2.6kW/in³的功率密度，能够显著减小集中式高电压转换器的体积。