汽車電氣化競(jìng)爭(zhēng)：獲勝的途徑

“如果您覺得一切都在掌握之中，那就是您的速度還不夠快?！薄?Mario Andretti

多年來(lái)，汽車制造商不斷面臨對(duì)更大功率需求的挑戰(zhàn)。在早期，汽車使用 6V 電池供電，直到 20 世紀(jì) 50 年代中期，汽車系統(tǒng)演變?yōu)?12V 電源，以滿足對(duì)更大功率的永久需求。汽車制造商不僅需要為車窗、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和座椅預(yù)測(cè)新的供電需求，而且更多電源對(duì)于新型高壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言也至關(guān)重要。

最近，在 CO2 排放合規(guī)性的刺激下，OEM 廠商不得不重新考慮如何再次為汽車供電。雖然 OEM 廠商正在推出電動(dòng)汽車，以達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，但目前還沒有一種統(tǒng)一方法，來(lái)為電機(jī)以及車輛的所有子系統(tǒng)供電。

電源需求的急劇增加使得這一不足更加明顯。內(nèi)燃機(jī)汽車的電源功率通常在 600W 到 3kW 之間。全新電氣化電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車 (xEV) 都需要 3kW 到 60kW 以上的功率，比原有功率高 5 — 20 倍。

5 — 20 倍的提升會(huì)給車輛供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的尺寸、重量及復(fù)雜性帶來(lái)巨大壓力。這些需求將會(huì)給能源效率、可靠性甚至舒適性和安全性帶來(lái)負(fù)面影響，因?yàn)樵黾拥某叽绾椭亓繒?huì)導(dǎo)致車輛特性方面做出妥協(xié)。如果汽車制造商繼續(xù)采用傳統(tǒng)供電方式，根本就沒有足夠的空間來(lái)滿足所有電氣需求。要應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，他們需要找到一種輕便緊湊的解決方案，不僅可緩解電源體積的明顯增長(zhǎng)，而且具有靈活性，可在整個(gè)產(chǎn)品線中重復(fù)使用。

除了主要技術(shù)挑戰(zhàn)外，OEM 廠商也在給自己增大壓力，承諾在未來(lái) 10 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全面電氣化(圖 1)，盡管如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的具體細(xì)節(jié)仍是一個(gè)懸而未決的問題。在整個(gè)電動(dòng)汽車市場(chǎng)上，為電氣化實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化還沒有明確的途徑。因此，雖然 OEM 廠商可能目標(biāo)一致，但他們?cè)O(shè)計(jì)的 PDN 將會(huì)大相徑庭。

圖1：到 2030 年，純電動(dòng)汽車 (BEV) 將占所有 xEV 的 45%

為電氣化發(fā)展勢(shì)頭加足馬力

多年來(lái)，電動(dòng)汽車的產(chǎn)量不足全球汽車總產(chǎn)量的 1%。瑞士信貸全球汽車研究中心團(tuán)隊(duì)數(shù)據(jù)顯示，這一比例將從 2020 年的 11% 飆升至 2030 年的 62%，全球汽車銷量將達(dá)到 6,300 萬(wàn)輛。其中近一半(2900 萬(wàn))有望全面實(shí)現(xiàn)電氣化。

圖2：OEM 廠商已為其產(chǎn)品線電氣化制定積極目標(biāo)。這些目標(biāo)是打造世界級(jí) xEV 平臺(tái)的催化劑

什么是電動(dòng)汽車爆炸式增長(zhǎng)的推動(dòng)因素?雖然排放達(dá)標(biāo)和政府激勵(lì)措施啟動(dòng)了這一進(jìn)程，但正是消費(fèi)者的欲望帶來(lái)了這一巨大需求，使得 OEM 廠商將電動(dòng)汽車從細(xì)分市場(chǎng)推向主流市場(chǎng)。這些 OEM 廠商現(xiàn)在做出了大膽的承諾。(圖 2)

OEM 廠商現(xiàn)在正在為一些最普及、最受青睞的汽車實(shí)現(xiàn)電氣化。通用悍馬、福特新款 Mach E(電動(dòng)野馬)和現(xiàn)在的旗艦車型 F150 輕型卡車(閃電)正在實(shí)現(xiàn)電氣化。這些車型正吸引著大眾的目光，因?yàn)樗鼈兙哂辛钊苏駣^的性能提升和時(shí)尚的設(shè)計(jì)。

這些新型汽車具有更好的快速充電技術(shù)和更低的維護(hù)及維修成本，是刺激消費(fèi)需求，增加電動(dòng)汽車使用率的催化劑。消費(fèi)者看到了價(jià)值，因此增長(zhǎng)勢(shì)頭越來(lái)越大。

高風(fēng)險(xiǎn)、高性能電氣化挑戰(zhàn)

汽車平臺(tái)的數(shù)量、消費(fèi)者選項(xiàng)、不同的動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)以及電池及充電配置的選擇，都增加汽車電氣化的復(fù)雜性，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須解決。

為了優(yōu)化汽車電氣化，OEM 廠商需要提高功率水平，縮減供電網(wǎng)絡(luò)尺寸和重量，并提供更好的熱管理及可重復(fù)使用性。設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法必須從復(fù)雜的定制分立式設(shè)計(jì)過渡到更小、更靈活、更易于使用、更高密度的模塊化解決方案。

加快電氣化的步伐

為了實(shí)現(xiàn)積極的電氣化目標(biāo)，OEM 廠商必須重新考慮其供電架構(gòu)方案。除了找到高效解決方案外，加速和優(yōu)化電氣化還必須滿足三大要求。

1. 功率密度：無(wú)論是設(shè)計(jì)一輛速度很快的跑車、一輛輕型卡車還是一輛家用汽車，OEM 廠商都需要在有限的空間內(nèi)提供盡可能多的電源。汽車需要緊湊高效的電源解決方案。

2. 靈活性/可擴(kuò)展性：各車系有許多車輛使用同一個(gè)平臺(tái)，因此當(dāng)修改共享同一個(gè)平臺(tái)的轎車、小型貨車和 SUV 等車型的電源時(shí)，便捷的電源擴(kuò)展非常重要。

3. 可重復(fù)使用性：為了實(shí)現(xiàn)全車系電氣化，OEM 廠商需要能夠在不同車型之間重復(fù)使用電源設(shè)計(jì)，以加速上市進(jìn)程。

功率密度

各種 xEV 平臺(tái)上使用的電源電子產(chǎn)品的尺寸和重量直接關(guān)系到車輛性能、能源效率以及電池續(xù)航里程。為了跑得更遠(yuǎn)更快，OEM 廠商正在積極縮減其電源電子產(chǎn)品的尺寸和重量，并鼓勵(lì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)降低車輛重量。

圖3：減小供電網(wǎng)絡(luò)的尺寸和重量是新一代 xEV 平臺(tái)的關(guān)鍵因素。例如，功率為 2.5kW 的Vicor BCM6135 可以放在手心里

Vicor 一個(gè)效率為 98% 的小型母線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM6135) 重量?jī)H為 68 克，可輕松與 EMI 濾波、更小的散熱結(jié)構(gòu)和外殼相結(jié)合，取代 25 公斤的 48V 電池。這不僅可釋放大量的空間和載荷重量，而且還可節(jié)省 125 至 250 歐元的減重研發(fā)成本。高密度電源模塊在一個(gè) 61 × 35 × 7 毫米的小型封裝中將 400 ~ 800V 的主電池轉(zhuǎn)換為 48V，可提供 2kW 以上的功率，功率密度超過 4.3kW/in3(圖 3)

靈活性/可擴(kuò)展性

OEM 廠商設(shè)計(jì)人員盡可能將集成在車內(nèi)的子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，以節(jié)省時(shí)間、資金和資源。然而，隨汽車內(nèi)飾的不同等級(jí)需要不同的設(shè)計(jì)，每個(gè)子系統(tǒng)都會(huì)略有不同。由于汽車電氣化的發(fā)展，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨供電要求不斷變化的挑戰(zhàn)。Vicor 提供的靈活、可擴(kuò)展模塊化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法允許設(shè)計(jì)人員在各種動(dòng)力系統(tǒng)(如 SUV、廂式貨車或輕型卡車)上實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。

例如，一輛廂式貨車的電源要求可能是 5kW，但為一輛配備短排燈、拖具與犁具以及交流發(fā)電機(jī)的輕型卡車供電可能需要 10kW。使用相同的平臺(tái)和一點(diǎn)額外的空間，工程師可快速在陣列中添加或移除預(yù)審合格的部件，以增大或減小功率。

此外，模塊化的設(shè)計(jì)還可通過 48V 母線實(shí)現(xiàn)分布式電源架構(gòu)，提供更高的靈活性。電源模塊可布置在方便的位置進(jìn)行 局部48V/12V轉(zhuǎn)換，可以在儲(chǔ)物箱后面，靠近后備箱，也可以在每個(gè)輪子旁邊。部署模塊化解決方案，不僅可以提供設(shè)計(jì)靈活性，而且提供了一種更好的方式來(lái)優(yōu)化電源變化和制造流程。

圖 4 四個(gè)高功率密度模塊能夠以 300 多種不同的方式組合在一起，支持不同的電源需求和大量不同類型的負(fù)載，這一事實(shí)最能說明模塊化的影響

可重復(fù)使用性

在汽車開發(fā)過程中，一種最常見的延遲是汽車所用電子組件的審批。有時(shí)這一過程可能需要長(zhǎng)達(dá)兩到三年才能通過，才能為單個(gè)組件獲得生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通常會(huì)想辦法重復(fù)使用已有組件，以節(jié)省開發(fā)及審批時(shí)間，節(jié)省寶貴的資源。

例如，基于分立式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的傳統(tǒng) PDN 可能由 200 多個(gè)體積龐大的組件組成，然而 Vicor 的先進(jìn)技術(shù)則只提供單個(gè)高密度電源模塊。對(duì)于工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說，為了實(shí)現(xiàn)相同的功能，認(rèn)證一個(gè)模塊與認(rèn)證 200 多款獨(dú)立組件相比，省時(shí)下的時(shí)間是非常顯著的。

此外，Vicor 模塊化方法還允許工程師通過使用三到四個(gè)不同類型的可擴(kuò)展構(gòu)件模塊，實(shí)現(xiàn)大約 300 種供電組合。(圖 4)這種設(shè)計(jì)方法總共可節(jié)省數(shù)百個(gè)小時(shí)的時(shí)間和資源，能夠幫助 OEM 廠商在電氣化競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。

最后沖刺

OEM 廠商正面臨巨大的挑戰(zhàn)，不僅要跨越電氣化的終點(diǎn)線，而且還要完成 xEV 系列的設(shè)計(jì)，帶來(lái)長(zhǎng)期效益。采用模塊化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可在這個(gè)重要的市場(chǎng)份額競(jìng)爭(zhēng)中提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在需要以全新架構(gòu)和拓?fù)涞男问竭M(jìn)行創(chuàng)新，其不僅可提供當(dāng)前最高的性能，而且以后還可重復(fù)使用、重新配置。

傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)無(wú)法滿足這種程度的靈活性和易用性。對(duì)于 OEM 廠商來(lái)說，要實(shí)現(xiàn)積極的電氣化目標(biāo)，最好采用模塊化方法，不僅可在多個(gè)重要層面提供最高性能，而且還可幫助他們滿足最復(fù)雜的 xEV 電源需求。