电动汽车驱动动力系统的汽车电池技术

今天的汽车电池必须做的不仅仅是启动汽车并在旅途中保持收音机开启。在过去 10 年中，汽车功能和电子产品所需的电量翻了一番，预计未来五年还会再次增加。12V 电池负责为从加热座椅和娱乐系统到行人检测系统等尖端安全功能的所有设备供电，并在旅途中维持汽车的电网。

电动汽车需要驱动动力系统的高压 (HV) 电池和执行基本卸载的改进型 12V 电池。当 HV 系统关闭时，12V 电池用于安全地初始化 HV 电池并为车辆应用供电。在行驶周期中，HV 电池为 12V 电池充电并维持负载。

让我们与 Vicor 的 EMEA 汽车业务发展总监 回答 一起探讨这项技术的特点。

提问：12V铅酸电池的未来是什么?

回答：欧洲已经下令在 2030 年之后不再有新车使用铅酸电池，这给 OEM 寻找替代解决方案带来了相当大的挑战。

虽然这似乎是一项艰巨的任务，但它也为消除对环境有毒的铅酸电池提供了巨大的机会，同时还可以减轻车辆的重量并提高整体效率。它还可以降低制造商面临的电池保修成本。

提问：今天车辆中的 12V 电池的功能是什么?

回答：12V 电池最重要的作用是为需要大量电力的负载提供电力储备。车辆中的典型负载将具有两种类型的电流消耗：一种用于启动，特别是冷启动，另一种用于稳态运行。两者都需要大量电流来为电容器充电或转动电枢，然后作为稳态蓄能器下降。

提问：如果取消 12V 电池，需要支持哪些技术考虑?

回答：转换速率或瞬态响应。用传统转换器更换车辆中的 12V 电池可能会导致负载电压下降到足以关闭负载，从而导致车辆重新启动。汽车制造商通常需要 250 A/ms 的最快负载，而 12 V 电池可以达到 (75 A/30 µs)。

提问：存在哪些替代 12V 电池技术?

理查德：用 12V 锂离子电池替换 12V 铅酸电池是一种选择。虽然这略微减轻了重量，但它保留了 12V 配电网络 (PDN) 的数十年历史，产生的额外好处有限。另一种选择是支持由电动汽车和混合动力电动汽车/插电式混合动力电动汽车中的主 400-V 或 800-V 电池供电的 12-V PDN。

提问：这些技术的优缺点是什么?

回答：只需将 12V 铅酸电池更换为 12V 锂离子电池即可节省大约 55% 的重量;但是，它对成本的影响很大。12V 锂离子电池需要一个电池管理系统来控制充电并在车辆的整个生命周期内保持电池的完整运行。

此外，需要添加一个从 HV 到 12V 的笨重 DC/DC 转换器(具有电压和电流调节功能)来为 12V 锂离子 电池充电并为电气负载供电。

然而，这增加了有限的好处。相反，它增加了重量、车辆封装复杂性和系统成本，同时还降低了车辆的整体可靠性。

相比之下，取消 12V 电池总共减轻了 13 公斤的车辆重量，并且可以将载货空间提高 2.4%。

提问：哪些负载将继续依赖 12 V?

理查德：大部分安全负载和极低功率负载，例如用于驾驶舱和电动车窗的 LED 阅读灯，将保持在 12 V。所有电源负载，例如水泵和油泵，将移动到 48 V 或高压。

为了提高乘坐舒适性，正在进行大量研究。随着车辆变得更加自主，司机和乘客的旅行体验将变得更像是乘坐火车，他们希望这会非常顺畅。实现这种平稳行驶需要电动防倾杆或主动悬架等设备，这些设备需要大量动力。

提问：电动汽车的主动力电池可以用来为这些负载供电吗?

理查德：使用牵引电机电池(这是车辆中最大的能源)来下转换为不同的安全电压是有意义的。通常，电动汽车中的牵引电机电池为 400 V 或 800 V。

解决此问题的更好方法是彻底重新考虑车辆中的 PDN：取消物理 12V 电池，并用主 EV 电池中的 12V“虚拟”电池取而代之。

理想的车辆架构将是一个 HV 电池，用于为动力总成和所有辅助负载供电，前提是它能够满足必要的瞬态响应要求。Vicor 高密度总线转换器模块技术通过直接从 HV 电池虚拟化低压电池(48 V 或 12 V)来实现这种方法。

模块化电源方法与创新拓扑相结合，可让您远远超过 12 V 铅酸电池 (75 A/30 µs) 的压摆率(瞬态响应)。使用电源模块和正弦幅度转换器，您可以处理从 HV 电池到负载的数千安培电流，消除任何跌落或负载超出调节范围。

彭：这样做有什么好处?

理查德：主要优点是车辆中只有一个电池，减轻了重量。它还简化了架构并降低了封装要求，这对于重型 12V 电池来说可能很复杂。

这种方法还降低了车辆 OEM 的保修成本。12V 电池通常保修三年。在此期间，如果它发生故障，更换它的责任在于车辆制造商，这会导致潜在的可观成本。

Vicor 模块化方法允许工程师通过仅使用三到四个不同类型的可扩展构建块模块来实现大约 300 种电力传输组合。从小型城市汽车到大型 SUV，各种尺寸的车辆都可以通过使用相同 DC/DC 转换器的通用电源平台供电。扩大规模只涉及添加更多电源模块。

这种设计方法节省了数百小时的时间和大量的资源，让 OEM 在电气化竞赛中脱颖而出。

提问：使用这种方法时要牢记的主要注意事项是什么?

回答：基于分立 DC/DC 转换器设计的传统 PDN 可能包含 200 多个庞大的组件，而 Vicor 先进技术提供单个高密度电源模块。对于工程设计团队来说，节省的时间非常可观，与相同功能的 200 多个单独组件相比，只需要对一个模块进行认证。

提问：实现这一点需要哪些额外的架构或组件?

回答：不需要额外的组件，因为 HV 到 12V DC/DC 转换器已经是 EV 的重要组件。Vicor 的技术带来了额外的功能，因为移除了 12V 电池后会产生快速瞬态响应。

Vicor 还在研究组件冗余以提高功能安全性。

提问：Vicor 为该应用提供了哪些解决方案?

回答：使用零电压、零电流开关 (ZVS/ZCS)，Vicor BCM 总线转换器在比传统转换器更高的频率下工作，使其比物理电池响应更快。

例如，BCM6135 的工作频率为 1.2 MHz，与传统的 ZVS/ZCS 谐振转换器不同，它在窄带频率内工作。BCM 的高频操作提供对负载电流变化的快速响应以及从输入到输出的低阻抗路径。

固定比率转换、双向操作、快速瞬态响应(高于每秒 8 MA)和低阻抗路径共同使 BCM 能够使 HV 电池看起来像 48 V 电池，我们称之为“转换”。与传统转换器相比，这种转换电源的能力既是关键优势，也是关键区别。