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汽车电气化发展正在推动当前汽车电气设计架构的变革。这既增加了汽车运行所需的电力，也影响了设计人员为各种车载系统供电的方式。全球范围内的工程师正竭力解决里程有限以及充电站不足的问题。经济上有很多悬而未决的问题。这可能是工程师面临过的最重要的电源挑战。

例如，纯电动汽车 (BEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 的动力系统使用高压电池（800V 或 400V），该高压电池还必须在 48V 及 12V 下为汽车配件供电。降低这些负载所需的 DC-DC 转换器一般都很笨重。但可通过结合基于 Vicor 正弦振幅转换 (SAC™) 电源拓扑的转换器来缓解这一问题。SAC 可帮助设计人员将 DC-DC 转换器重量锐减 50%，将封装体积锐减 60%，从而可提供传统电源方案所无法比拟且具备改变游戏规则的优势。

纯电动汽车的耗电量是传统燃油汽车的 20 倍

汽车的电气化是用电网发电取代车载发电，这些能量储存在高压电池中。除了这一变革，诸如电动转向和电动悬架、ADAS 和信息娱乐系统等大量控制系统和子系统的转换，也为电源系统工程师带来了新的挑战。与内燃机 (ICE) 相比，电动汽车的电源需求提高了 20 倍。当前的纯电动汽车需要 100kW 以上的电源，配件的电源需求至少占这一总需求的 4kW。相比之下，ICE 只需要 2.5 至 4.5kW 的总电源。这一指数级增长给工程师造成了巨大的障碍。

图 1：与内燃机 (ICE) 相比，电动汽车的电源需求提高了 20 倍。与内燃机 2.5 ~ 4.5kW 的电源需求相比，目前纯电动汽车的需求为 100kW 以上。

工程师面临的另一项重大变革是，电力来源不再是通过 ICE 发电的、持续运行的 12V 交流发电机，而是使用电池中储存且有限的 400V 或 800V 电源。许多配件都在 12V 电压下进行了成本和性能优化，因此需要在车辆中保留 12V 电源。因而，电源系统工程师需要一个将高压电池电源转换为 48V 或 12V 的架构，才能满足各种车辆子系统的需求。理想的系统将最大限度提升功率密度，以减轻重量并缩小单位体积。

SAC 支持更轻、更小的电源转换

图 2：SAC 工艺的基础是零电压/零电流开关，可实现固定比率电压转换。

为尽可能使转换器更小，开关在 1300KHz 以上的频率下完成，这允许使用更小的磁性材料和更短的路径运转。SAC 一方面的优势是表现出每秒超过 8.6MA 的极快瞬态响应。

图 3：Vicor SAC 拓扑具有极快的瞬态响应性能。这里的基准测试显示：在瞬态率为 8.6MA/s 的情况下，加载步长为 0 ~ 80A，也就是说空载至满负载用时不足 10µs，速度明显比使用电池快。80 ~ 0A 的加载步长的转换速率甚至更快，达到 17.6MA/s 瞬态率 。

SAC DC-DC 转换器已经在高性能计算领域使用了几十年，可提供超过 15kW/kg 和 85kW/L 的功率密度。汽车电气化也同样离不开该技术。

图 4：Vicor 电源模块不仅体积小、功率密度大，而且非常灵活，可设计用于充电、转换和桥接的架构。

如何构建小型化电动汽车供电网络

使用基于 SAC 的器件，不仅可缩小电源网络组件的尺寸，而且允许电源工程师采用大量不同的方式优化供电网络。电池电压可轻松转换为 48V，并在负载点从 48V 网络降至 12V。使用 Vicor 高压 BCM®母线转换器，能轻松实现从主电池 (400/800V) 到 48V 的转换。BCM 仅重 58 克，体积仅为 0.016L，可提供 2.5kW 的 48V 电源。48V 电源可使用高效 ZVS PRM™ 稳压器稳压，其重量仅为 40 克，体积为 0.01L。

48V 稳压电源可使用一款负载点 DCM™ DC-DC 稳压器转换为 12V；用于此处的 2kW 器件重量为 29 克，体积为 0.01 升。使用 SAC 拓扑，只需 136 克的转换器件，系统便可提供 2kW 的 12V 稳压电源，这不仅可锐减高达 65%的系统重量，而且还可节省多达 50% 的 DC-DC 转换器封装空间。

图 5：比较一些当今最普及纯电动汽车的转换器，可以了解每一种转换器的重量及空间需求。

这些是目前可提供的最好系统，但由于使用了基于可用的最佳分立式组件集的标准设计，其功率密度很低。这些均可通过使用 SAC 拓扑和 Vicor 电源模块显著提升。

为了从 400V 电池电源提供 4kW 的 12V 稳压电源，系统不仅需要使用 BCM®提供隔离和 48V 馈电，而且还需要使用 DCM™ 降压转换至 12V 电源。两个 BCM6135 器件和两个 DCM3735 器件组成的阵列可用于提供所需的 4kW 电源。该芯片组重量仅 266g，功率密度为 15kW/kg，占位空间仅 0.046L，即体积功率密度为 87kW/L。为了在车辆中提供全面的功能，还需要一些额外的电路，其中包括高压连接器、低压连接器、散热片、外壳、带附加电路（反向极性、预充电、EMI 滤波器）的 PCB 以及用于 CAN 通信的隔离器和连接器。

加上新增的系统部件，4kW DC-DC 转换器的重量仅为 1.4kg，功率密度为 2.5kW/kg，体积只有 0.76L，因此体积功率密度为 5.22kW/L。

图 6：与其它解决方案相比，Vicor 电源转换器的体积更小，效率更高，功率密度提高了 6 倍。

因此，与目前可提供最大体积密度的特斯拉 DC-DC 转换器相比，Vicor 系统的体积功率密度提高了 6 倍，体积缩小了 58%。据统计，每减轻 1 公斤重量，汽车的行驶里程就能增加 0.8 公里。因此，Vicor 系统不仅可为其它组件腾出更多封装空间，而且还可增加 1.0 公里的行驶里程。此外，小型化 Vicor 系统的重量是福特野马 Mach-E 系统的一半，但提供的有效功率密度提高了 1.7 倍。

所有车辆，无论是内燃机，还是全电动系统，都面临着最大限度减轻车辆重量和优化车辆体积的挑战。使用基于 SAC 的技术来实现 DC-DC 电源转换的小型化，为实现这些目标指明了道路。

汽车电气化发展正在挑战对于工程师如何设计各种逐渐增大供电的车载系统。

Greg Green

Vicor 汽车客户项目总监

现任 Vicor 公司汽车客户项目总监。他在汽车行业拥有超过 33 年的丰富经验，涉及 OEM 厂商和一级供应商的制造、设计工程和产品线管理。Greg 丰富的汽车产业经验包括制造、产品开发和业务开发等。Greg 先后毕业于密歇根大学和凯特林大学，分别获航空航天工程学士学位和制造管理硕士学位。

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