汽車(chē)12V鉛酸電池即將退出市場(chǎng)?

汽車(chē)12V鉛酸電池即將退出市場(chǎng)，歐洲已頒布法令，2030年之后，所有新車(chē)均不再使用鉛酸電池，這給OEM廠(chǎng)商尋找替代解決方案帶來(lái)了極大的挑戰。雖然這似乎是一項艱巨的任務(wù)，但它也可帶來(lái)巨大的機遇，不僅可消除對環(huán)境有害的電池，同時(shí)還可減輕車(chē)輛重量并提高整體效率。

12V電池及供電網(wǎng)絡(luò )(PDN)是全球標準，支持數百種負載，包括一些與安全密切相關(guān)的負載，因此，解決方案既要有創(chuàng )新性，而且還必須堅固。用來(lái)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(shí)，OEM廠(chǎng)商必須考慮幾個(gè)重要因素：增加功率來(lái)支持性能更好的新特性，提高效率以延長(cháng)行駛里程并優(yōu)化熱管理，減少二氧化碳，優(yōu)化電纜布線(xiàn)，減輕線(xiàn)束重量，以及滿(mǎn)足 EMI要求。這些都是這個(gè)復雜方程式中的一些變量。

為該方程式求解有兩個(gè)主要選項。將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池是一個(gè)選項。雖然它確實(shí)可略微減輕重量，但也會(huì )保留12VPDN幾十年的傳統，不會(huì )產(chǎn)生其它優(yōu)勢。另一個(gè)選項是支持電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)/插電式混合動(dòng)力汽車(chē)中由 400V 或 800V 主電池供電的 12VPDN。后一種選項優(yōu)勢眾多，但這兩種選項都值得進(jìn)一步探索。

采用12V鋰離子電池

簡(jiǎn)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(gè)電池管理系統 (BMS)來(lái)控制充電并在汽車(chē)的整個(gè)生命周期內保持電池的全面工作。特斯拉和現代的發(fā)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(huì )增加任何優(yōu)勢。它所增加的只是重量、車(chē)輛總體布置的復雜性和系統成本，而且還會(huì )降低車(chē)輛的整體可靠性。相比之下，消除12V電池，不僅可將汽車(chē)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(zhù)維護一個(gè)具有不必要冗余的低效率PDN。在典型的汽車(chē)12VPDN中，所有連接12V母線(xiàn)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(lái)看，無(wú)論是電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)，還是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，都有串聯(lián)穩壓器冗余。一款從高壓到 12V 的 DC-DC 轉換器可為12V 母線(xiàn)(效率高)穩壓，而前置穩壓器則可為每個(gè)負載提供合適的內部電壓(圖 1)。

這種傳統架構起源于汽車(chē)配備交流發(fā)電機的時(shí)代，交流發(fā)電機是一種敏感的12VPDN，需要穩壓才能為電池充電，在啟動(dòng)事件中保持無(wú)線(xiàn)電工作，或讓車(chē)的白熾大燈保持適當亮度。OEM廠(chǎng)商非常有創(chuàng )意地繞過(guò)了12V電源限制，近年來(lái)設計了兩款12V電池，一款用于動(dòng)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(chē)輛中的每個(gè)12V負載都有一個(gè)前置穩壓器，以提供負載工作所需的適當電壓。圖1：這兩個(gè)機器人平臺的規模大不相同，但它們的供電網(wǎng)絡(luò )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(wèn)題的更好方法是完全重新考慮汽車(chē) PDN：取消12V的物理電池，用電動(dòng)汽車(chē)主電池中的 12V “虛擬”電池替代(圖2)。每輛電動(dòng)汽車(chē)都有一個(gè)主電池，因此搭載額外的儲能設備無(wú)意義。理想的車(chē)輛架構是使用一款高壓電池為動(dòng)力系統及所有輔助負載供電。Vicor高密度母線(xiàn)轉換器模塊技術(shù)可實(shí)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(lái)。

圖 2：優(yōu)化的E/E架構可取消12V的物理電池。使用VicorBCM 母線(xiàn)轉換器技術(shù)轉化高壓電池，可創(chuàng )建虛擬12V電池。

Vicor BCM?母線(xiàn)轉換器采用零電壓、零電流開(kāi)關(guān)(ZVS/ZCS)技術(shù)，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(tài)響應(每秒超過(guò) 8MA)和低阻抗路徑相結合，可幫助BCM 使高壓電池看起來(lái)像 48V 電池，我們將其稱(chēng)為“變壓”。與常規轉換器相比，這種對電源進(jìn)行變壓的功能既是重要優(yōu)勢，也是重要的差異化特性。

圖 3：BCM6135 的快速負載瞬態(tài)響應是支持 12V 負載的關(guān)鍵。瞬態(tài)響應為每秒 800 萬(wàn)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(xiàn)轉換器的功能框圖。雖然 BCM 可進(jìn)行 DC-DC 轉換，但它還可使用變壓器進(jìn)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(kāi)關(guān)模塊在 AC 與 DC之間進(jìn)行轉換。開(kāi)關(guān)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(tài)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(gè)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(gè)固定比值。Vicor BCM6135 轉換器為隔離式，采用 61 x 35 x 7 毫米封裝提供 2.5kW 的電源，峰值效率超過(guò) 97%。它可輕松并聯(lián)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(dòng)汽車(chē)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(shí)現虛擬化，確保電壓范圍在 32.5 和 57.5V 之間。BCM6135 1/8 的比率可用于400V 電動(dòng)汽車(chē)(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(xiàn)。這種情況不需要電流隔離，可以使用 Vicor NBM? 母線(xiàn)轉換器。與 BCM的其它特性相同，NBM 非隔離母線(xiàn)轉換器具有上述所有優(yōu)勢：快速瞬態(tài)響應、低阻抗和雙向工作。12V 母線(xiàn)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(shù)是連接汽車(chē)各供電網(wǎng)絡(luò )的理想變壓器。

表 1：采用 Vicor BCM/NBM 母線(xiàn)轉換器技術(shù)的 48V 母線(xiàn)和 12V 母線(xiàn)上的最小電壓和最大電壓。48V 和 12V 電壓范圍均符合VDA 320 和 LV 124 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(xiàn)還可作為一個(gè)更高效電源，為車(chē)輛中的更高負載供電，如空調冷凝器、水泵和主動(dòng)底盤(pán)穩定系統等。

確保功能安全負載的供電冗余至關(guān)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(guò)兩條專(zhuān)用電源轉換路徑實(shí)現為功能安全至關(guān)重要的負載供電。最終，OEM 廠(chǎng)商可實(shí)施本地化能量存儲，確保 ADAS、轉向和剎車(chē)等重要系統的功能安全運行。

電動(dòng)汽車(chē)供電網(wǎng)絡(luò )將何去何從

12V鉛酸電池將很快退出歐洲市場(chǎng)。鑒于所有的創(chuàng )新都推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)供電網(wǎng)絡(luò )重新設計，這個(gè)時(shí)機非常合適。

汽車(chē)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(shí)，越來(lái)越多的嚴格電源負載應用于車(chē)輛。特斯拉首席執行官 Elon Musk表示：“我們?yōu)槭裁催€要用 12V 電壓?12V 只是殘留的電壓，的確太低了?！?/p>

OEM廠(chǎng)商正在爭先恐后地設計更好的 PDN，為電動(dòng)汽車(chē)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(gè)長(cháng)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(tài)響應及系統性能。Vicor技術(shù)不僅可實(shí)現這些優(yōu)勢，而且還可提供無(wú)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(wǎng)絡(luò )的近期挑戰提供理想的構建模塊。

Nicolas RichardVicor 歐洲汽車(chē)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監

在加入 Vicor 之前，Nicolas 在 IDT(瑞薩電子)擔任北美汽車(chē)業(yè)務(wù)部負責人，主要從事動(dòng)力系統、信息娛樂(lè )系統與 ADAS系統的技術(shù)銷(xiāo)售。在加入 IDT 之前，他曾在安森美擔任過(guò)4年的現場(chǎng)應用工程師，領(lǐng)導一個(gè)內部設計及應用團隊(是一支“從概念到產(chǎn)品冠軍”團隊)，負責安森美在密歇根州底特律的汽車(chē)銷(xiāo)售新產(chǎn)品增長(cháng)戰略。他的工作經(jīng)歷還包括在大陸汽車(chē)公司的9年工程與開(kāi)發(fā)工作，在此期間，他曾在大陸汽車(chē)混合動(dòng)力與電動(dòng)汽車(chē)部門(mén)擔任各種工程設計職務(wù)，主要設計 DC/DC 轉換器和牽引逆變器。