電動(dòng)汽車(chē)正面臨重量問(wèn)題。本文探討如何通過(guò)提高轉(zhuǎn)換器功率密度和靈活性來(lái)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)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(lái)一直致力于為通信、計(jì)算、國(guó)防和機(jī)器人等關(guān)鍵行業(yè)開(kāi)發(fā)和制造高性能電源模塊。在過(guò)去六年，隨著交通運(yùn)輸業(yè)進(jìn)入電氣化時(shí)代，Vicor 開(kāi)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(dòng)汽車(chē)（EV）轉(zhuǎn)型。

Vicor 公司汽車(chē)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) Greg Green 解釋道："如果你一直關(guān)注汽車(chē)業(yè)，就會(huì)知道電動(dòng)汽車(chē)存在重量問(wèn)題。它們比普通汽車(chē)重 15% 到 33%，這引發(fā)了一系列問(wèn)題。因此，汽車(chē)業(yè)正努力使車(chē)輛變得更輕。另一個(gè)問(wèn)題是，電動(dòng)汽車(chē)的普及率已經(jīng)趨于平穩(wěn)，這有幾個(gè)原因。其中一個(gè)原因是，有意購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)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(gè)數(shù)字少 100 公里左右，這導(dǎo)致人們開(kāi)始重新考慮是否準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)。"

然而，正如 Green 所承認(rèn)的那樣，降低電動(dòng)汽車(chē)的重量并非易事。"減輕車(chē)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(lái)，汽車(chē)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?lái)看，電壓必須低于 60V 才是安全的，而 48V 系統(tǒng)既滿(mǎn)足這一要求，又為電壓的上下浮動(dòng)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(chē)型問(wèn)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(duì)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(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。通過(guò)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(chēng)為零電壓開(kāi)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(wàn)安培的速率從零功率達(dá)到滿(mǎn)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](méi)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(chē)減輕約 10 公斤的重量。"

Vicor 關(guān)注的另一個(gè)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(chē)中，空間至關(guān)重要，但即使是較大的車(chē)輛，使用更少空間也能為車(chē)輛布局設(shè)計(jì)提供更多靈活性，并帶來(lái)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(gè)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(gè)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(lái)包裹它），還能利用電池外殼中現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)來(lái)冷卻電子設(shè)備。從安全角度來(lái)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(shí)第一批混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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(méi)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(cè)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(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)力汽車(chē)的充電插頭時(shí)，就自動(dòng)擁有了一個(gè)高壓電池。從系統(tǒng)的角度來(lái)看，我們更容易理解應(yīng)該從高壓電源引出 48V 電壓。48V 電線(xiàn)的直徑和重量大約只有 12V 電線(xiàn)的 10%。電壓在某種程度上類(lèi)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(xiàn)，這些電線(xiàn)也比 12V 電線(xiàn)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(chē)輛的多個(gè)點(diǎn)，并在局部將其轉(zhuǎn)換為車(chē)輛各處所需的 12V 電源。這種設(shè)計(jì)為整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)了重量?jī)?yōu)勢(shì)，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(lái)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(xiàn)路中引入 48V 區(qū)域架構(gòu)等所有這些元素結(jié)合起來(lái)，Vicor 計(jì)算出工程師們可以為每輛車(chē)節(jié)省約 18 公斤的重量。

Green 表示："在一個(gè)通常為節(jié)省幾克重量而爭(zhēng)論不休的行業(yè)中，這一節(jié)省相當(dāng)可觀。但這對(duì)于車(chē)輛使用者來(lái)說(shuō)究竟意味著什么呢？我們發(fā)現(xiàn)，如果一輛車(chē)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(lái)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(chē)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(dòng)汽車(chē)的理想點(diǎn)。同樣的原理也適用于更大車(chē)輛，事實(shí)上，這一論點(diǎn)在商用車(chē)方面可能更有說(shuō)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(dòng)汽車(chē)制造商可以利用這些優(yōu)勢(shì)來(lái)減輕車(chē)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(dòng)汽車(chē)的普及。"