12V铅酸电池行将退出商场？
Nicolas Richard
Vicor 欧洲轿车事务开发总监
没错，轿车12V 铅酸电池行将退出商场。欧洲已公布法则，2030 年之后，一切新车均不再运用铅酸电池，这给 OEM 厂商寻觅代替处理计划带来了极大的应战。尽管这似乎是一项艰巨的使命，但它也可带来巨大的机会，不只可消除对环境有害的电池，一起还可减轻车辆分量并进步全体功率。
12V 电池及供电网络 (PDN) 是全球规范，支撑数百种负载，包含一些与安全密切相关的负载，因而，处理计划既要有立异性，并且还有必要巩固。用来衔接高压、48V 和 12V PDN 的高密度、大功率、高效电源模块，可针对这一行将呈现的应战供给具有最高灵敏性及可扩展性的处理计划。
在考虑潜在处理计划时，OEM 厂商有必要考虑几个重要因素：添加功率来支撑功用更好的新特性，进步功率以延伸行进路程并优化热办理，削减二氧化碳，优化电缆布线，减轻线束分量，以及满意 EMI 要求。这些都是这个杂乱方程式中的一些变量。
为该方程式求解有两个首要选项。将 12V 铅酸电池替换为 12V 锂离子电池是一个选项。尽管它确实可稍微减轻分量，但也会保存 12V PDN 几十年的传统，不会发生其它优势。另一个选项是支撑电动轿车和混合动力轿车/插电式混合动力轿车中由 400V 或 800V 主电池供电的 12V PDN。后一种选项优势许多，但这两种选项都值得进一步探究。
选用 12V 锂离子电池
简略地将 12V 铅酸电池替换为 12V 锂离子电池，确实可节约约 55% 的分量，但对本钱影响很高。12V 锂离子电池需求一个电池办理体系 (BMS)来操控充电并在轿车的整个生命周期内坚持电池的全面作业。特斯拉和现代的发展方向便是这样的。
此外，还需求添加一款从高压到 12V 的大型 DC-DC 转化器(具有电压和电流调理特性)，才能为 12V 锂离子电池充电并为电气负载供电。但这不会添加任何优势。它所添加的仅仅分量、车辆全体安置的杂乱性和体系本钱，并且还会下降车辆的全体可靠性。比较之下，消除 12V 电池，不只可将轿车分量削减 13kg，还可将货舱空间增大 2.4%。
传统的 12V PDN 功率低
保护一款 12V 的物理电池，就意味着保护一个具有不必要冗余的低功率 PDN。在典型的轿车 12V PDN 中，一切衔接 12V 母线的 12V 负载都有内部前置稳压器，可将宽输入电压规划(一般从 6V 到 16V)转化为 5V、3.3V 或更低电压。从全球体系视点来看，无论是电动轿车、混合动力轿车，仍是插电式混合动力轿车，都有串联稳压器冗余。一款从高压到 12V 的 DC-DC 转化器可为 12V 母线(功率高)稳压，而前置稳压器则可为每个负载供给适宜的内部电压(图 1)。
这种传统架构起源于轿车装备沟通发电机的年代，沟通发电机是一种灵敏的 12V PDN，需求稳压才能为电池充电，在发动事情中坚持无线电作业，或让车的白炽大灯坚持恰当亮度。OEM 厂商十分有构思地绕过了 12V 电源约束，近年来规划了两款 12V 电池，一款用于动力转向的 24V 电池以及其间的几款 DC-DC 转化器。
图 1：xEV 运用的典型 E/E，选用运用冗余稳压器的 12V 电池。高压至 12V 的 DC-DC 可为 12V 输出稳压，为 12V 电池充电。车辆中的每个 12V 负载都有一个前置稳压器，以供给负载作业所需的恰当电压。图 1：这两个机器人渠道的规划 大不相同，但它们的供电网络却有许多共同之处。模块化办法有助于高度灵敏地完结初始规划，一般能加快交给后续电源体系规划。
用虚拟电池代替 12V 电池
处理该问题的更好办法是彻底从头考虑轿车 PDN：撤销 12V 的物理电池，用电动轿车主电池中的 12V “虚拟”电池代替(图 2)。每辆电动轿车都有一个主电池，因而搭载额定的储能设备无意义。抱负的车辆架构是运用一款高压电池为动力体系及一切辅佐负载供电。Vicor 高密度母线转化器模块技能可完结这一计划，它将低压电池(48 或 12V)直接从高压电池(400 或 800V)虚拟化出来。
图 2：优化的 E/E 架构可撤销 12V 的物理电池。运用 Vicor BCM 母线转化器技能转化高压电池，可创立虚拟 12V 电池。
Vicor BCM® 母线转化器选用零电压、零电流开关(ZVS/ZCS)技能，其作业频率比惯例转化器高，因而其呼应速度比物理电池快。例如，BCM6135 与惯例 ZVS/ZCS 谐振转化器不同，作业频率为 1.2MHz，该 BCM 在窄带频率下作业(图 3)。BCM 的高频率作业可针对负载电流的改变以及从输入到输出的低阻抗途径供给快速呼应。固定比率转化、双向作业、快速瞬态呼应(每秒超越 8MA)和低阻抗途径相结合，可协助 BCM 使高压电池看起来像 48V 电池，咱们将其称为“变压”。与惯例转化器比较，这种对电源进行变压的功用既是重要优势，也是重要的差异化特性。
图 3：BCM6135 的快速负载瞬态呼应是支撑 12V 负载的要害。瞬态呼应为每秒 800 万安培 (8MA/s)。黄色：输入电压 (800VDC)，赤色：输出电压 (48V)，蓝色：输出电流。
图 4：BCM 母线转化器的功用框图。尽管 BCM 可进行 DC-DC 转化，但它还可运用变压器进行高效的 AC-AC 转化，不只可按 K 因数缩放巨细，并且还可运用开关模块在 AC 与 DC 之间进行转化。开关在高频率下完结，并且因为具有和变压器相同的能量传输特性，因而转化不只能对瞬态负载改变做出快速呼应，并且还可在输入和输出之间供给一个低阻抗途径。
Vicor BCM 可用作固定比率转化器，其间输出电压是输入电压的一个固定比值。Vicor BCM6135 转化器为阻隔式，选用 61 x 35 x 7 毫米封装供给 2.5kW 的电源，峰值功率超越 97%。它可轻松并联在阵列中，供给更大功率。
该 BCM 的固定比率特点可保证虚拟电池坚持在其恰当的作业规划内。例如，在 800V 电池供电的电动轿车中，可保证高压电池在 520 至 920V 之间。比率为 1/16 的 BCM6135 可为 48V 电池完结虚拟化，保证电压规划在 32.5 和 57.5V 之间。BCM6135 1/8 的比率可用于 400V 电动轿车(图 3)。
电池虚拟化还可运用 1/4 固定比率转化器扩展至 12V 母线。这种状况不需求电流阻隔，能够运用 Vicor NBM™ 母线转化器。与 BCM 的其它特性相同，NBM 非阻隔母线转化器具有上述一切优势：快速瞬态呼应、低阻抗和双向作业。12V 母线上的电压规划坚持在 8.125V 与 14.375V 之间，与高压电池电压的比率是固定的。BCM 和 NBM 技能是衔接轿车各供电网络的抱负变压器。
表 1：选用 Vicor BCM/NBM 母线转化器技能的 48V 母线和 12V 母线上的最小电压和最大电压。48V 和 12V 电压规划均契合 VDA 320 和 LV 124 规范。
图 5：根据 BCM6135 和 NBM2317 模块的 12V 及 48V 电池虚拟化 E/E 架构。48V 母线还可作为一个更高效电源，为车辆中的更高负载供电，如空调冷凝器、水泵和自动底盘安稳体系等。
保证功用安全负载的供电冗余至关重要。Vicor 电源模块在电源与传输方面彻底可扩展，因而可将其规划成冗余 PDN，然后可通过两条专用电源转化途径完结为功用安全至关重要的负载供电。终究，OEM 厂商可施行本地化能量存储，保证 ADAS、转向和刹车等重要体系的功用安全运转。
电动轿车供电网络将何去何从
12V 铅酸电池将很快退出欧洲商场。鉴于一切的立异都推动了电动轿车供电网络从头规划，这个机遇十分适宜。
轿车电气 PDN 正处于 12V 供电的十字路口。企图坚持最少的架构改变的一起，越来越多的严厉电源负载使用于车辆。特斯拉首席执行官 Elon Musk 表明：“咱们为什么还要用 12V 电压?12V 仅仅残留的电压，确实太低了。”
OEM 厂商正在力争上游地规划更好的 PDN，为电动轿车供给更大的路程和更高的功用。彻底撤销 12V 电池显着是一个长时间处理计划，不只可削减分量和空间，并且还能供给更好的瞬态呼应及体系功用。Vicor 技能不只可完结这些优势，并且还可供给无与伦比的灵敏性、可扩展性和功率密度。Vicor 的 PDN 模块计划为处理新一代 xEV 的 12V 供电网络的近期应战供给抱负的构建模块。
Nicolas Richard
Vicor 欧洲轿车事务开发总监
在参加 Vicor 之前，Nicolas 在 IDT(瑞萨电子)担任北美轿车事务部担任人，首要从事动力体系、信息文娱体系与 ADAS 体系的技能出售。在参加 IDT 之前，他曾在安森美担任过 4 年的现场使用工程师，领导一个内部规划及使用团队(是一支“从概念到产品冠军”团队)，担任安森美在密歇根州底特律的轿车出售新产品增加战略。他的作业经历还包含在大陆轿车公司的 9 年工程与开发作业，在此期间，他曾在大陆轿车混合动力与电动轿车部分担任各种工程规划职务，首要规划 DC/DC 转化器和牵引逆变器。
