電動汽車正面臨重量問題。本文探討如何通過提高轉(zhuǎn)換器功率密度和靈活性來實(shí)現(xiàn)更長續(xù)航里程和更快充電速度。

Vicor 公司總部位于馬薩諸塞州安多弗，自 1981 年以來一直致力于為通信、計(jì)算、國防和機(jī)器人等關(guān)鍵行業(yè)開發(fā)和制造高性能電源模塊。在過去六年，隨著交通運(yùn)輸業(yè)進(jìn)入電氣化時代，Vicor 開始涉足這一領(lǐng)域，提供小巧、功率密度高的 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換設(shè)備助力電動汽車（EV）轉(zhuǎn)型。

Vicor 公司汽車營銷總監(jiān) Greg Green 解釋道："如果你一直關(guān)注汽車業(yè)，就會知道電動汽車存在重量問題。它們比普通汽車重 15% 到 33%，這引發(fā)了一系列問題。因此，汽車業(yè)正努力使車輛變得更輕。另一個問題是，電動汽車的普及率已經(jīng)趨于平穩(wěn)，這有幾個原因。其中一個原因是，有意購買電動汽車的消費(fèi)者普遍期望續(xù)航里程能達(dá)到約 540 公里，而目前的平均續(xù)航里程大約比這個數(shù)字少 100 公里左右，這導(dǎo)致人們開始重新考慮是否準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)向電動汽車。"

然而，正如 Green 所承認(rèn)的那樣，降低電動汽車的重量并非易事。"減輕車輛重量有幾種方法：縮小或減輕電池組的重量，消除低壓電池，以及縮小DC-DC轉(zhuǎn)換器的體積。自 60 年代中期以來，汽車世界一直是 12V 的天下。然而，48V 系統(tǒng)引起了人們的興趣，因?yàn)閺碾姎獍踩嵌葋砜矗妷罕仨毜陀?60V 才是安全的，而 48V 系統(tǒng)既滿足這一要求，又為電壓的上下浮動留出了空間。特斯拉 Cybertruck 作為首款大量采用 48V 電力系統(tǒng)的車型問世，引發(fā)了廣泛關(guān)注，此后這一領(lǐng)域飛速發(fā)展。"

圖 1：高性能電源模塊

整體架構(gòu)方法

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，Vicor 確定了其技術(shù)可以產(chǎn)生顯著影響的幾個關(guān)鍵領(lǐng)域。通過其高功率密度的轉(zhuǎn)換設(shè)備，Vicor 正致力于實(shí)現(xiàn)電池組的小型化、消除低壓電池、縮小 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的尺寸、將更小的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器集成到電池外殼中，并引入 48V 區(qū)域架構(gòu)。

Green 解釋道："我們使用一種稱為零電壓開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換流程，這種流程非常迅速。這意味著我們可以以每秒 800 萬安培的速率從零功率達(dá)到滿功率，從高壓電池獲取電力、將其轉(zhuǎn)換為 48V 并輸送到負(fù)載，比標(biāo)準(zhǔn)的 48V 或 12V 電池供電更快。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)闆]有延遲，我們可以完全消除低壓電池或大幅縮小它的尺寸，從而為每輛車減輕約 10 公斤的重量。"

Vicor 關(guān)注的另一個方面是縮小 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的體積。Green 補(bǔ)充道："我們將 3-5 升的系統(tǒng)縮小到 1-1.5 升。特別是在乘用車中，空間至關(guān)重要，但即使是較大的車輛，使用更少空間也能為車輛布局設(shè)計(jì)提供更多靈活性，并帶來其他效率方面的提升。為了展示這一點(diǎn)，我們研究了特斯拉 Model X （擁有一流的功率重量比和功率體積比）以及 Vitesco 的新一代第四代系統(tǒng)。我們發(fā)現(xiàn)，就效率、功率重量比和功率密度而言，我們的系統(tǒng)比這兩者都要好兩到三倍。我們的系統(tǒng)將 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的尺寸縮小到了一個工程師可以輕松想象放入電池外殼內(nèi)的程度。"

本質(zhì)上，Vicor 的方法使 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以被縮小并安置在電池外殼的某個角落。這樣做不僅節(jié)省了重量（因?yàn)椴辉傩枰~外的金屬外殼來包裹它），還能利用電池外殼中現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)來冷卻電子設(shè)備。從安全角度來看，這種方法還減少了從電池外殼引出的高壓電纜數(shù)量。

圖 2：48V 區(qū)域架構(gòu)

48V 區(qū)域架構(gòu)

正如 Green 所解釋的那樣，48V 區(qū)域架構(gòu)的概念最早可以追溯到 20 世紀(jì) 90 年代末，當(dāng)時第一批混合動力電動汽車出現(xiàn)，人們將其視為提高熱效率的潛在途徑。然而，直到去年 10 月特斯拉推出 Cybertruck 之前，這項(xiàng)技術(shù)并沒有得到太多發(fā)展。

Green 表示："這主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)發(fā)電機(jī)都是 12V 或 24V 的。更換這些發(fā)電機(jī)所需的工程和測試成本相當(dāng)高，因此遇到了一些阻力。但是，當(dāng)你插入電動汽車或混合動力汽車的充電插頭時，就自動擁有了一個高壓電池。從系統(tǒng)的角度來看，我們更容易理解應(yīng)該從高壓電源引出 48V 電壓。48V 電線的直徑和重量大約只有 12V 電線的 10%。電壓在某種程度上類似于壓力：低壓意味著需要更大的管道，高壓則意味著可以使用更小的管道。因此，48V 是更高的電壓，也就是更高的壓力。你可以使用更小、更輕的電線，這些電線也比 12V 電線使用的銅少得多。此外，48V 設(shè)計(jì)在處理熱損耗方面也更有效率，因?yàn)榭梢詫?48V 電源引至車輛的多個點(diǎn)，并在局部將其轉(zhuǎn)換為車輛各處所需的 12V 電源。這種設(shè)計(jì)為整個電動汽車帶來了重量優(yōu)勢，并降低了冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性。"

圖 3：48V 設(shè)計(jì)可以更高效地處理熱損耗

小設(shè)備帶來巨大改進(jìn)

將移除低壓電池、縮小 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的體積，并在線路中引入 48V 區(qū)域架構(gòu)等所有這些元素結(jié)合起來，Vicor 計(jì)算出工程師們可以為每輛車節(jié)省約 18 公斤的重量。

Green 表示："在一個通常為節(jié)省幾克重量而爭論不休的行業(yè)中，這一節(jié)省相當(dāng)可觀。但這對于車輛使用者來說究竟意味著什么呢？我們發(fā)現(xiàn)，如果一輛車的重量減輕 18 公斤，續(xù)航里程可以增加 1 到 2.5 公里，這看起來似乎不多。但是，如果能因?yàn)檫@種節(jié)省而增加 18 公斤的電池電芯，續(xù)航里程就可以提高 5%。在乘用車層面，這使我們更接近消費(fèi)者希望看到的、能夠促使他們轉(zhuǎn)向電動汽車的理想點(diǎn)。同樣的原理也適用于更大車輛，事實(shí)上，這一論點(diǎn)在商用車方面可能更有說服力，因?yàn)楣?jié)省 18 公斤可能意味著可以多運(yùn)載 18 公斤的貨物或乘客。"

考慮到這一點(diǎn)，很明顯，Vicor 的高功率密度 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊有潛力為供電網(wǎng)絡(luò)提供更大的靈活性和效率，由于體積更小且熱量排放更少，這些模塊可以集成到電池中。

Green 總結(jié)道："電動汽車制造商可以利用這些優(yōu)勢來減輕車輛重量，更接近 540 公里的理想續(xù)航里程，從而最終加速電動汽車的普及。"