轎車、卡車、公交車及摩托車制造商都在快速為其車輛實現(xiàn)電氣化，以提高內(nèi)燃機的燃油效率，減少二氧化碳排放。電氣化選擇很多，但大多數(shù)制造商都沒有選擇完全混合動力總成，而是選擇 48 伏輕度混合動力系統(tǒng)。輕度混合動力系統(tǒng)除了有傳統(tǒng) 12V 電池之外，還新增了一款 48V 電池。
這可增加 4 倍的電量 (P = V ? I)，用于催化式排氣凈化器等重負荷。48V 系統(tǒng)可為混合動力發(fā)動機供電，在節(jié)省燃油的同時，更快、更平穩(wěn)的加速，以提高車輛性能。額外的電源不僅可為轉(zhuǎn)向、剎車以及懸架系統(tǒng)提供支持，而且還可增加新的安全、娛樂及舒適特性。
引入 48 伏輕度混合動力系統(tǒng)，一旦完成設(shè)計，會有很大的優(yōu)勢。克服對長期存在的 12 伏供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 進行改造的猶豫可能是最大的挑戰(zhàn)。改變供電通常需要必須進行大量測試的新技術(shù)，而且可能還需要能夠按汽車產(chǎn)業(yè)的高安全性及高質(zhì)量標準供電的全新供應(yīng)商。
但數(shù)據(jù)中心行業(yè)在轉(zhuǎn)向 48V PDN 的過程中發(fā)現(xiàn)，這樣做的優(yōu)勢遠遠超過了轉(zhuǎn)換成本。對于汽車產(chǎn)業(yè)來說，48V 輕度混合動力系統(tǒng)帶來了快速推出排放更低、行駛里程更遠、油耗更低的全新車輛的途徑。此外，它還可為提高性能特性并減少二氧化碳排放提供令人振奮的全新設(shè)計選項。
如何最大化 48V 供電網(wǎng)絡(luò)
增加 48V 電池，為更重的動力總成及底盤系統(tǒng)負載供電，可為工程師提供各種選項?，F(xiàn)在有一個增加系統(tǒng)的選擇，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(wěn)壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 48V 轉(zhuǎn)換成 12V。為了管理變革與風險，現(xiàn)有輕度混合動力供電系統(tǒng)逐漸增加 48V 負載的同時，仍使用大型集中式數(shù)千瓦 48V 至 12V 轉(zhuǎn)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(gòu)不僅沒有完全利用 48V PDN 的優(yōu)勢，而且也沒有利用現(xiàn)在可用的高級轉(zhuǎn)換器拓撲、控制系統(tǒng)與封裝的優(yōu)勢。
圖 1 傳統(tǒng) 12V 集中式架構(gòu) 圖 2 48V分布式架構(gòu)
這些集中式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（圖 1）絕大多數(shù)都很笨重，因為它們使用較早的低頻率開關(guān) PWM 拓撲。此外，它們也會為大量關(guān)鍵動力總成系統(tǒng)帶來單點故障。
另外一種需要考慮的架構(gòu)是使用模塊化電源組件進行分布式供電（圖 2）。該供電架構(gòu)使用更小、更低功耗的 48 至 12V 轉(zhuǎn)換器，在整個接近 12V 負載的車輛中配電。簡單的功率方程式 P = V ? I 和 PLOSS = I2R 就可以說明為什么 48V 配電比 12V 更高效。
對于給定功率級而言，與 12V 系統(tǒng)相比，48V 系統(tǒng)電流低四倍、功耗低 16 倍。在 1/4 的電流下，電纜和連接器可能會更小、更輕，而且成本也會更低。此外，分布式電源架構(gòu)還有顯著的熱管理及電源系統(tǒng)冗余優(yōu)勢（圖 4）。
圖 3 標準 DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率為 94% 圖 4 Vicor DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率為 98%
分布式架構(gòu)的模塊化組件優(yōu)勢
分布式供電（圖 5）的模塊化方法具有高度的可擴展性。
圖 5 混合動力電動車的模塊化方法
電池的 48V 輸出分配給車內(nèi)各種高功率負載，從而可使更低電流（4 倍）及更低功耗（16倍）的優(yōu)勢最大化，帶來更小、更輕的 PDN。根據(jù)不同分布式負載的負載電源分析，可以設(shè)計一個模塊并對其進行適當功率粒度及擴展性認證，用于并行陣列。
本實例中是 2kW 模塊。如前文所述，粒度和可擴展性主要看系統(tǒng)。通過使用分布式模塊代替大型集中式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，N+1 冗余也能夠以顯著降低的成本實現(xiàn)。如果負載功耗在汽車開發(fā)階段有變，該方法依然有優(yōu)勢。工程師可以增減模塊，無需對整個完成的定制電源進行修改。另一個設(shè)計優(yōu)勢是縮短開發(fā)時間，因為模塊已獲得批準和認證。
在更高電壓的電池系統(tǒng)中實施分布式模塊化 48V 架構(gòu)
圖 6 純電動車的模塊化方法
純電動車或高性能混合動力車可使用高電壓電池，因為動力總成和底盤系統(tǒng)功率需求很高。48V SELV PDN 對于 OEM 廠商而言依然有顯著的優(yōu)勢，但是現(xiàn)在，電源系統(tǒng)設(shè)計人員有了額外的挑戰(zhàn)，即高功率 800V 或 400V 至 48V的 轉(zhuǎn)換。
此外，這款高功率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器還需要隔離，但不需要穩(wěn)壓。分散 48V 至 12V 轉(zhuǎn)換器布置的一大優(yōu)勢是更好的穩(wěn)壓。上游高功率轉(zhuǎn)換器可通過使用穩(wěn)壓 PoL 轉(zhuǎn)換器，使用固定比率拓撲。這具有極大的優(yōu)勢，因為 16:1 或 8：1 的寬輸入至輸出電壓范圍分別適用于 800/48 和 400/48。在該范圍內(nèi)使用穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器不僅效率很低，而且還會給熱管理帶來很大的問題。
由于400V 或 800V 配電時的安全要求，分散布置這款高電壓隔離轉(zhuǎn)換器不僅非常困難，而且成本還很高。然而，高功率集中式固定比例轉(zhuǎn)換器可使用電源模塊取代大型“銀盒”DC-DC 轉(zhuǎn)換器進行設(shè)計。
可以開發(fā)具有適當粒度及可擴展性的電源模塊，然后進行輕松并聯(lián)，用于具有不同動力總成及底盤電氣化要求的廣泛車輛。此外，Vicor 固定比率母線轉(zhuǎn)換器 (BCM?) 還是雙向的，支持各種能源再生方案。BCM 采用正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC?) 高頻率軟開關(guān)拓撲，可實現(xiàn) 98％ 以上的效率。它們還具有 2.6kW/in3 的功率密度，可顯著縮小集中式高電壓轉(zhuǎn)換器的尺寸。
Vicor 是汽車市場的供應(yīng)商，可提供最先進的創(chuàng)新 48V 解決方案。汽車供電架構(gòu)的分布式模塊化方法可簡化復雜的供電挑戰(zhàn)，從而可提高性能和生產(chǎn)力，縮短上市時間。Vicor 是 48V 電源轉(zhuǎn)換的領(lǐng)導者，不斷為供電架構(gòu)、電源轉(zhuǎn)換拓撲、控制系統(tǒng)及封裝實現(xiàn)創(chuàng)新。