【導讀】沒錯，汽車12V 鉛酸電池即將退出市場。歐洲已頒布法令
，2030 年之後，所有新車均不再使用鉛酸電池
，這給 OEM 廠(chang)商(shang)尋(xun)找(zhao)替(ti)代(dai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)帶(dai)來(lai)了(le)極(ji)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。雖(sui)然(ran)這(zhe)似(si)乎(hu)是(shi)一(yi)項(xiang)艱(jian)巨(ju)的(de)任(ren)務(wu)，但(dan)它(ta)也(ye)可(ke)帶(dai)來(lai)巨(ju)大(da)的(de)機(ji)遇(yu)
，不(bu)僅(jin)可(ke)消(xiao)除(chu)對(dui)環(huan)境(jing)有(you)害(hai)的(de)電(dian)池(chi)，同(tong)時(shi)還(hai)可(ke)減(jian)輕(qing)車(che)輛(liang)重(zhong)量(liang)並(bing)提(ti)高(gao)整(zheng)體(ti)效(xiao)率(lv)。

12V 電池及供電網絡 (PDN) 是全球標準
，支持數百種負載，包括一些與安全密切相關的負載，因此，解決方案既要有創新性
，而且還必須堅固。用來連接高壓
、48V 和 12V PDN 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，OEM 廠商必須考慮幾個重要因素：增加功率來支持性能更好的新特性，提高效率以延長行駛裏程並優化熱管理，減少二氧化碳
，優化電纜布線，減輕線束重量
，以及滿足 EMI 要求。這些都是這個複雜方程式中的一些變量。

為該方程式求解有兩個主要選項。將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池是一個選項。雖然它確實可略微減輕重量，但也會保留 12V PDN 幾十年的傳統

，不會產生其它優勢。另一個選項是支持電動汽車和混合動力汽車/插電式混合動力汽車中由 400V 或 800V 主電池供電的 12V PDN。後一種選項優勢眾多，但這兩種選項都值得進一步探索。

采用 12V 鋰離子電池

簡單地將 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電池管理係統 （BMS）來控製充電並在汽車的整個生命周期內保持電池的全麵工作。特斯拉和現代的發展方向就是這樣的。

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 鋰離子電池充電並為電氣負載供電。但這不會增加任何優勢。它所增加的隻是重量、車輛總體布置的複雜性和係統成本，而且還會降低車輛的整體可靠性。相比之下，消除 12V 電池，不僅可將汽車重量減少 13kg

，還可將貨艙空間增大 2.4%。

傳統的 12V PDN 效率低

維護一款 12V 的物理電池
，就意味著維護一個具有不必要冗餘的低效率 PDN。在典型的汽車 12V PDN 中，所有連接 12V 母線的 12V 負載都有內部前置穩壓器

，可將寬輸入電壓範圍（通常從 6V 到 16V）轉換為 5V
、3.3V 或更低電壓。從全球係統角度來看，無論是電動汽車
、混合動力汽車

，還是插電式混合動力汽車，都有串聯穩壓器冗餘。一款從高壓到 12V 的 DC-DC 轉換器可為 12V 母線（效率高）穩壓，而前置穩壓器則可為每個負載提供合適的內部電壓（圖 1）。

這種傳統架構起源於汽車配備交流發電機的時代，交流發電機是一種敏感的 12V PDN，需要穩壓才能為電池充電

，在啟動事件中保持無線電工作，或讓車的白熾大燈保持適當亮度。OEM 廠商非常有創意地繞過了 12V 電源限製，近年來設計了兩款 12V 電池，一款用於動力轉向的 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

，采用使用冗餘穩壓器的 12V 電池。高壓至 12V 的 DC-DC 可為 12V 輸出穩壓
，為 12V 電池充電。車輛中的每個 12V 負載都有一個前置穩壓器
，以提供負載工作所需的適當電壓。圖 1：這兩個機器人平台的規模 大不相同，但它們的供電網絡卻有很多共同之處。模塊化方法有助於高度靈活地完成初始設計，通常能加速交付後續電源係統設計。

用虛擬電池替代 12V 電池

解決該問題的更好方法是完全重新考慮汽車 PDN：取消 12V 的物理電池，用電動汽車主電池中的 12V “虛擬”電池替代（圖 2）。每mei輛liang電dian動dong汽qi車che都dou有you一yi個ge主zhu電dian池chi
，因yin此ci搭da載zai額e外wai的de儲chu能neng設she備bei無wu意yi義yi。理li想xiang的de車che輛liang架jia構gou是shi使shi用yong一yi款kuan高gao壓ya電dian池chi為wei動dong力li係xi統tong及ji所suo有you輔fu助zhu負fu載zai供gong電dian。Vicor 高密度母線轉換器模塊技術可實現這一方案，它將低壓電池（48 或 12V）直接從高壓電池（400 或 800V）虛擬化出來。

圖 2：優化的 E/E 架構可取消 12V 的物理電池。使用 Vicor BCM 母線轉換器技術轉化高壓電池，可創建虛擬 12V 電池。

Vicor BCM® 母線轉換器采用零電壓、零電流開關（ZVS/ZCS）技術，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、快速瞬態響應（每秒超過  8MA）和低阻抗路徑相結合，可幫助 BCM 使高壓電池看起來像  48V 電池，我們將其稱為“變壓”。與常規轉換器相比，這種對電源進行變壓的功能既是重要優勢

，也是重要的差異化特性。

圖 3：BCM6135 的快速負載瞬態響應是支持 12V 負載的關鍵。瞬態響應為每秒 800 萬安培 (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 母線轉換器的功能框圖。雖然 BCM 可進行 DC-DC 轉換
，但它還可使用變壓器進行高效的 AC-AC 轉換，不僅可按 K 因數縮放大小，而且還可使用開關模塊在 AC 與 DC 之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)轉(zhuan)換(huan)。開(kai)關(guan)在(zai)高(gao)頻(pin)率(lv)下(xia)完(wan)成(cheng)，而(er)且(qie)由(you)於(yu)具(ju)有(you)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)一(yi)樣(yang)的(de)能(neng)量(liang)傳(chuan)輸(shu)特(te)性(xing)，因(yin)此(ci)轉(zhuan)換(huan)不(bu)僅(jin)能(neng)對(dui)瞬(shun)態(tai)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)做(zuo)出(chu)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)，而(er)且(qie)還(hai)可(ke)在(zai)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)之(zhi)間(jian)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)低(di)阻(zu)抗(kang)路(lu)徑(jing)。

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 97%。它可輕鬆並聯在陣列中，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範圍內。例如，在 800V 電池供電的電動汽車中，可確保高壓電池在 520 至 920V 之間。比率為 1/16 的 BCM6135 可為 48V 電池實現虛擬化，確保電壓範圍在 32.5 和 57.5V 之間。BCM6135 1/8 的比率可用於 400V 電動汽車（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。這種情況不需要電流隔離，可以使用 Vicor NBM™ 母線轉換器。與 BCM 的其它特性相同，NBM 非隔離母線轉換器具有上述所有優勢：快速瞬態響應
、低阻抗和雙向工作。12V 母線上的電壓範圍保持在 8.125V 與 14.375V 之間

，與高壓電池電壓的比率是固定的。BCM 和 NBM 技術是連接汽車各供電網絡的理想變壓器。

表 1：采用 Vicor BCM/NBM 母線轉換器技術的 48V 母線和 12V 母線上的最小電壓和最大電壓。48V 和 12V 電壓範圍均符合 VDA 320 和 LV 124 標準。

圖 5：基於 BCM6135 和 NBM2317 模塊的 12V 及 48V 電池虛擬化 E/E 架構。48V 母線還可作為一個更高效電源，為車輛中的更高負載供電，如空調冷凝器、水泵和主動底盤穩定係統等。

確保功能安全負載的供電冗餘至關重要。Vicor 電源模塊在電源與傳輸方麵完全可擴展，因此可將其設計成冗餘 PDN，從而可通過兩條專用電源轉換路徑實現為功能安全至關重要的負載供電。最終
，OEM 廠商可實施本地化能量存儲，確保 ADAS、轉向和刹車等重要係統的功能安全運行。

電動汽車供電網絡將何去何從

12V 鉛酸電池將很快退出歐洲市場。鑒於所有的創新都推動了電動汽車供電網絡重新設計，這個時機非常合適。

汽車電氣 PDN 正處於 12V 供電的十字路口。試圖保持最少的架構變化的同時，越來越多的嚴格電源負載應用於車輛。特斯拉首席執行官 Elon Musk 表示：“我們為什麼還要用 12V 電壓？12V 隻是殘留的電壓
，的確太低了。”

OEM 廠商正在爭先恐後地設計更好的 PDN，為電動汽車提供更大的裏程和更高的性能。完全取消 12V 電池明顯是一個長期解決方案，不僅可減少重量和空間
，而且還能提供更好的瞬態響應及係統性能。Vicor 技術不僅可實現這些優勢，而且還可提供無與倫比的靈活性
、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 供電網絡的近期挑戰提供理想的構建模塊。

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