汽車電氣化競爭:獲勝的途徑
發布時間:2021-08-12 來源:Vicor,全永森 ( YS Jun) 責任編輯:lina
【導讀】多年來,汽車製造商不斷麵臨對更大功率需求的挑戰。在早期,汽車使用 6V 電池供電,直到 20 世紀 50 年代中期,汽車係統演變為 12V 電源,以滿足對更大功率的永久需求。汽車製造商不僅需要為車窗、轉向係統和座椅預測新的供電需求,而且更多電源對於新型高壓發動機而言也至關重要。
“如果您覺得一切都在掌握之中,那就是您的速度還不夠快。”— Mario Andretti
多年來,汽車製造商不斷麵臨對更大功率需求的挑戰。在早期,汽車使用 6V 電池供電,直到 20 世紀 50 年代中期,汽車係統演變為 12V 電源,以滿足對更大功率的永久需求。汽車製造商不僅需要為車窗、轉向係統和座椅預測新的供電需求,而且更多電源對於新型高壓發動機而言也至關重要。
最近,在 CO2排放合規性的刺激下,OEM 廠商不得不重新考慮如何再次為汽車供電。雖然 OEM 廠商正在推出電動汽車,以達到這些標準,但目前還沒有一種統一方法,來為電機以及車輛的所有子係統供電。
電源需求的急劇增加使得這一不足更加明顯。內燃機汽車的電源功率通常在 600W 到 3kW 之間。全新電氣化電動汽車、混合動力汽車和插電式混合動力汽車 (xEV) 都需要 3kW 到 60kW 以上的功率,比原有功率高 5 — 20 倍。
5 — 20 倍的提升會給車輛供電網絡 (PDN) 的尺寸、重量及複雜性帶來巨大壓力。這些需求將會給能源效率、可ke靠kao性xing甚shen至zhi舒shu適shi性xing和he安an全quan性xing帶dai來lai負fu麵mian影ying響xiang,因yin為wei增zeng加jia的de尺chi寸cun和he重zhong量liang會hui導dao致zhi車che輛liang特te性xing方fang麵mian做zuo出chu妥tuo協xie。如ru果guo汽qi車che製zhi造zao商shang繼ji續xu采cai用yong傳chuan統tong供gong電dian方fang式shi,根gen本ben就jiu沒mei有you足zu夠gou的de空kong間jian來lai滿man足zu所suo有you電dian氣qi需xu求qiu。要yao應ying對dui這zhe一yi挑tiao戰zhan,他ta們men需xu要yao找zhao到dao一yi種zhong輕qing便bian緊jin湊cou的de解jie決jue方fang案an,不bu僅jin可ke緩huan解jie電dian源yuan體ti積ji的de明ming顯xian增zeng長chang,而er且qie具ju有you靈ling活huo性xing,可ke在zai整zheng個ge產chan品pin線xian中zhong重zhong複fu使shi用yong。
除了主要技術挑戰外,OEM 廠商也在給自己增大壓力,承諾在未來 10 年內實現產品全麵電氣化(圖 1),盡jin管guan如ru何he實shi現xian這zhe一yi目mu標biao的de具ju體ti細xi節jie仍reng是shi一yi個ge懸xuan而er未wei決jue的de問wen題ti。在zai整zheng個ge電dian動dong汽qi車che市shi場chang上shang,為wei電dian氣qi化hua實shi現xian標biao準zhun化hua還hai沒mei有you明ming確que的de途tu徑jing。因yin此ci,雖sui然ran OEM 廠商可能目標一致,但他們設計的 PDN 將會大相徑庭。

圖1:到 2030 年,純電動汽車 (BEV) 將占所有 xEV 的 45%
為電氣化發展勢頭加足馬力
多年來,電動汽車的產量不足全球汽車總產量的 1%。瑞士信貸全球汽車研究中心團隊數據顯示,這一比例將從 2020 年的 11% 飆升至 2030 年的 62%,全球汽車銷量將達到 6,300 萬輛。其中近一半(2900 萬)有望全麵實現電氣化。

圖2:OEM 廠商已為其產品線電氣化製定積極目標。這些目標是打造世界級 xEV 平台的催化劑。
什shen麼me是shi電dian動dong汽qi車che爆bao炸zha式shi增zeng長chang的de推tui動dong因yin素su?雖sui然ran排pai放fang達da標biao和he政zheng府fu激ji勵li措cuo施shi啟qi動dong了le這zhe一yi進jin程cheng,但dan正zheng是shi消xiao費fei者zhe的de欲yu望wang帶dai來lai了le這zhe一yi巨ju大da需xu求qiu,使shi得de OEM 廠商將電動汽車從細分市場推向主流市場。這些 OEM 廠商現在做出了大膽的承諾。(圖 2)
OEM 廠商現在正在為一些最普及、最受青睞的汽車實現電氣化。通用悍馬、福特新款 Mach E(電動野馬)和現在的旗艦車型 F150 輕型卡車(閃電)正在實現電氣化。這些車型正吸引著大眾的目光,因為它們具有令人振奮的性能提升和時尚的設計。
這(zhe)些(xie)新(xin)型(xing)汽(qi)車(che)具(ju)有(you)更(geng)好(hao)的(de)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)和(he)更(geng)低(di)的(de)維(wei)護(hu)及(ji)維(wei)修(xiu)成(cheng)本(ben),是(shi)刺(ci)激(ji)消(xiao)費(fei)需(xu)求(qiu),增(zeng)加(jia)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)使(shi)用(yong)率(lv)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)。消(xiao)費(fei)者(zhe)看(kan)到(dao)了(le)價(jia)值(zhi),因(yin)此(ci)增(zeng)長(chang)勢(shi)頭(tou)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。
高風險、高性能電氣化挑戰
汽車平台的數量、消費者選項、不同的動力係統架構以及電池及充電配置的選擇,都增加汽車電氣化的複雜性,動力係統設計人員必須解決。
為了優化汽車電氣化,OEM 廠chang商shang需xu要yao提ti高gao功gong率lv水shui平ping,縮suo減jian供gong電dian網wang絡luo尺chi寸cun和he重zhong量liang,並bing提ti供gong更geng好hao的de熱re管guan理li及ji可ke重zhong複fu使shi用yong性xing。設she計ji電dian源yuan係xi統tong的de傳chuan統tong方fang法fa必bi須xu從cong複fu雜za的de定ding製zhi分fen立li式shi設she計ji過guo渡du到dao更geng小xiao、更靈活、更易於使用、更高密度的模塊化解決方案。
加快電氣化的步伐
為了實現積極的電氣化目標,OEM 廠商必須重新考慮其供電架構方案。除了找到高效解決方案外,加速和優化電氣化還必須滿足三大要求。
1.功率密度:無論是設計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/可擴展性:各車係有許多車輛使用同一個平台,因此當修改共享同一個平台的轎車、小型貨車和 SUV 等車型的電源時,便捷的電源擴展非常重要。
3.可重複使用性:為了實現全車係電氣化,OEM 廠商需要能夠在不同車型之間重複使用電源設計,以加速上市進程。
功率密度各種 xEV 平台上使用的電源電子產品的尺寸和重量直接關係到車輛性能、能源效率以及電池續航裏程。為了跑得更遠更快,OEM 廠商正在積極縮減其電源電子產品的尺寸和重量,並鼓勵研發團隊降低車輛重量。

圖3:減小供電網絡的尺寸和重量是新一代 xEV 平台的關鍵因素。例如,功率為 2.5kW 的Vicor BCM6135 可以放在手心裏。
Vicor 一個效率為 98% 的小型母線轉換器模塊 (BCM6135) 重量僅為 68 克,可輕鬆與 EMI 濾波、更小的散熱結構和外殼相結合,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,而且還可節省 125 至 250 歐元的減重研發成本。高密度電源模塊在一個 61 × 35 × 7 毫米的小型封裝中將 400 ~ 800V 的主電池轉換為 48V,可提供 2kW 以上的功率,功率密度超過 4.3kW/in3(圖 3)
靈活性/可擴展性OEM 廠商設計人員盡可能將集成在車內的子係統實現標準化,以節省時間、資zi金jin和he資zi源yuan。然ran而er,隨sui汽qi車che內nei飾shi的de不bu同tong等deng級ji需xu要yao不bu同tong的de設she計ji,每mei個ge子zi係xi統tong都dou會hui略lve有you不bu同tong。由you於yu汽qi車che電dian氣qi化hua的de發fa展zhan,電dian源yuan係xi統tong設she計ji團tuan隊dui麵mian臨lin供gong電dian要yao求qiu不bu斷duan變bian化hua的de挑tiao戰zhan。Vicor 提供的靈活、可擴展模塊化電源係統設計方法允許設計人員在各種動力係統(如 SUV、廂式貨車或輕型卡車)上實施標準化解決方案。
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電機的輕型卡車供電可能需要 10kW。使用相同的平台和一點額外的空間,工程師可快速在陣列中添加或移除預審合格的部件,以增大或減小功率。
此外,模塊化的設計還可通過 48V 母線實現分布式電源架構,提供更高的靈活性。電源模塊可布置在方便的位置進行 局部48V/12V轉zhuan換huan,可ke以yi在zai儲chu物wu箱xiang後hou麵mian,靠kao近jin後hou備bei箱xiang,也ye可ke以yi在zai每mei個ge輪lun子zi旁pang邊bian。部bu署shu模mo塊kuai化hua解jie決jue方fang案an,不bu僅jin可ke以yi提ti供gong設she計ji靈ling活huo性xing,而er且qie提ti供gong了le一yi種zhong更geng好hao的de方fang式shi來lai優you化hua電dian源yuan變bian化hua和he製zhi造zao流liu程cheng。

圖 4 四個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載,這一事實最能說明模塊化的影響。
kezhongfushiyongxingzaiqichekaifaguochengzhong,yizhongzuichangjiandeyanchishiqichesuoyongdianzizujiandeshenpi。youshizheyiguochengkenengxuyaochangdaliangdaosanniancainengtongguo,cainengweidangezujianhuodeshengchanjianpizhunchengxu。yanfatuanduitongchanghuixiangbanfazhongfushiyongyiyouzujian,yijieshengkaifajishenpishijian,jieshengbaoguideziyuan。
例如,基於分立式 DC-DC 轉換器設計的傳統 PDN 可能由 200 多個體積龐大的組件組成,然而 Vicor 的先進技術則隻提供單個高密度電源模塊。對於工程設計團隊來說,為了實現相同的功能,認證一個模塊與認證 200 多款獨立組件相比,省時下的時間是非常顯著的。
此外,Vicor 模塊化方法還允許工程師通過使用三到四個不同類型的可擴展構件模塊,實現大約 300 種供電組合。(圖 4)這種設計方法總共可節省數百個小時的時間和資源,能夠幫助 OEM 廠商在電氣化競爭中處於領先地位。
最後衝刺
OEM 廠商正麵臨巨大的挑戰,不僅要跨越電氣化的終點線,而且還要完成 xEV xiliedesheji,dailaichangqixiaoyi。caiyongmokuaihuadianyuanxitongshejifangfa,kezaizhegezhongyaodeshichangfenejingzhengzhongtigongjingzhengyoushi。xianzaixuyaoyiquanxinjiagouhetuopudexingshijinxingchuangxin,qibujinketigongdangqianzuigaodexingneng,erqieyihouhaikezhongfushiyong、重新配置。
傳統的電源設計無法滿足這種程度的靈活性和易用性。對於 OEM 廠商來說,要實現積極的電氣化目標,最好采用模塊化方法,不僅可在多個重要層麵提供最高性能,而且還可幫助他們滿足最複雜的 xEV 電源需求。
(來源:Vicor,作者:全永森 ( YS Jun),APAC汽車業務發展總監)
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