今天的汽車電池必須做的不僅僅是啟動汽車并在旅途中保持收音機開啟。在過去 10 年中，汽車功能和電子產品所需的電量翻了一番，預計未來五年還會再次增加。12V 電池負責為從加熱座椅和娛樂系統到行人檢測系統等尖端安全功能的所有設備供電，并在旅途中維持汽車的電網。

電動汽車需要驅動動力系統的高壓 (HV) 電池和執行基本卸載的改進型 12V 電池。當 HV 系統關閉時，12V 電池用于安全地初始化 HV 電池并為車輛應用供電。在行駛周期中，HV 電池為 12V 電池充電并維持負載。

讓我們與 Vicor 的 EMEA 汽車業務發展總監 回答 一起探討這項技術的特點。

提問：12V鉛酸電池的未來是什么?

回答：歐洲已經下令在 2030 年之后不再有新車使用鉛酸電池，這給 OEM 尋找替代解決方案帶來了相當大的挑戰。

雖然這似乎是一項艱巨的任務，但它也為消除對環境有毒的鉛酸電池提供了巨大的機會，同時還可以減輕車輛的重量并提高整體效率。它還可以降低制造商面臨的電池保修成本。

提問：今天車輛中的 12V 電池的功能是什么?

回答：12V 電池最重要的作用是為需要大量電力的負載提供電力儲備。車輛中的典型負載將具有兩種類型的電流消耗：一種用于啟動，特別是冷啟動，另一種用于穩態運行。兩者都需要大量電流來為電容器充電或轉動電樞，然后作為穩態蓄能器下降。

提問：如果取消 12V 電池，需要支持哪些技術考慮?

回答：轉換速率或瞬態響應。用傳統轉換器更換車輛中的 12V 電池可能會導致負載電壓下降到足以關閉負載，從而導致車輛重新啟動。汽車制造商通常需要 250 A/ms 的最快負載，而 12 V 電池可以達到 (75 A/30 μs)。

提問：存在哪些替代 12V 電池技術?

理查德：用 12V 鋰離子電池替換 12V 鉛酸電池是一種選擇。雖然這略微減輕了重量，但它保留了 12V 配電網絡 (PDN) 的數十年歷史，產生的額外好處有限。另一種選擇是支持由電動汽車和混合動力電動汽車/插電式混合動力電動汽車中的主 400-V 或 800-V 電池供電的 12-V PDN。

提問：這些技術的優缺點是什么?

回答：只需將 12V 鉛酸電池更換為 12V 鋰離子電池即可節省大約 55% 的重量;但是，它對成本的影響很大。12V 鋰離子電池需要一個電池管理系統來控制充電并在車輛的整個生命周期內保持電池的完整運行。

此外，需要添加一個從 HV 到 12V 的笨重 DC/DC 轉換器(具有電壓和電流調節功能)來為 12V 鋰離子 電池充電并為電氣負載供電。

然而，這增加了有限的好處。相反，它增加了重量、車輛封裝復雜性和系統成本，同時還降低了車輛的整體可靠性。

相比之下，取消 12V 電池總共減輕了 13 公斤的車輛重量，并且可以將載貨空間提高 2.4%。

提問：哪些負載將繼續依賴 12 V?

理查德：大部分安全負載和極低功率負載，例如用于駕駛艙和電動車窗的 LED 閱讀燈，將保持在 12 V。所有電源負載，例如水泵和油泵，將移動到 48 V 或高壓。

為了提高乘坐舒適性，正在進行大量研究。隨著車輛變得更加自主，司機和乘客的旅行體驗將變得更像是乘坐火車，他們希望這會非常順暢。實現這種平穩行駛需要電動防傾桿或主動懸架等設備，這些設備需要大量動力。

提問：電動汽車的主動力電池可以用來為這些負載供電嗎?

理查德：使用牽引電機電池(這是車輛中最大的能源)來下轉換為不同的安全電壓是有意義的。通常，電動汽車中的牽引電機電池為 400 V 或 800 V。

解決此問題的更好方法是徹底重新考慮車輛中的 PDN：取消物理 12V 電池，并用主 EV 電池中的 12V“虛擬”電池取而代之。

理想的車輛架構將是一個 HV 電池，用于為動力總成和所有輔助負載供電，前提是它能夠滿足必要的瞬態響應要求。Vicor 高密度總線轉換器模塊技術通過直接從 HV 電池虛擬化低壓電池(48 V 或 12 V)來實現這種方法。

模塊化電源方法與創新拓撲相結合，可讓您遠遠超過 12 V 鉛酸電池 (75 A/30 μs) 的壓擺率(瞬態響應)。使用電源模塊和正弦幅度轉換器，您可以處理從 HV 電池到負載的數千安培電流，消除任何跌落或負載超出調節范圍。

彭：這樣做有什么好處?

理查德：主要優點是車輛中只有一個電池，減輕了重量。它還簡化了架構并降低了封裝要求，這對于重型 12V 電池來說可能很復雜。

這種方法還降低了車輛 OEM 的保修成本。12V 電池通常保修三年。在此期間，如果它發生故障，更換它的責任在于車輛制造商，這會導致潛在的可觀成本。

Vicor 模塊化方法允許工程師通過僅使用三到四個不同類型的可擴展構建塊模塊來實現大約 300 種電力傳輸組合。從小型城市汽車到大型 SUV，各種尺寸的車輛都可以通過使用相同 DC/DC 轉換器的通用電源平臺供電。擴大規模只涉及添加更多電源模塊。

這種設計方法節省了數百小時的時間和大量的資源，讓 OEM 在電氣化競賽中脫穎而出。

提問：使用這種方法時要牢記的主要注意事項是什么?

回答：基于分立 DC/DC 轉換器設計的傳統 PDN 可能包含 200 多個龐大的組件，而 Vicor 先進技術提供單個高密度電源模塊。對于工程設計團隊來說，節省的時間非?？捎^，與相同功能的 200 多個單獨組件相比，只需要對一個模塊進行認證。

提問：實現這一點需要哪些額外的架構或組件?

回答：不需要額外的組件，因為 HV 到 12V DC/DC 轉換器已經是 EV 的重要組件。Vicor 的技術帶來了額外的功能，因為移除了 12V 電池后會產生快速瞬態響應。

Vicor 還在研究組件冗余以提高功能安全性。

提問：Vicor 為該應用提供了哪些解決方案?

回答：使用零電壓、零電流開關 (ZVS/ZCS)，Vicor BCM 總線轉換器在比傳統轉換器更高的頻率下工作，使其比物理電池響應更快。

例如，BCM6135 的工作頻率為 1.2 MHz，與傳統的 ZVS/ZCS 諧振轉換器不同，它在窄帶頻率內工作。BCM 的高頻操作提供對負載電流變化的快速響應以及從輸入到輸出的低阻抗路徑。

固定比率轉換、雙向操作、快速瞬態響應(高于每秒 8 MA)和低阻抗路徑共同使 BCM 能夠使 HV 電池看起來像 48 V 電池，我們稱之為“轉換”。與傳統轉換器相比，這種轉換電源的能力既是關鍵優勢，也是關鍵區別。

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