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怎样才能在汽车电气化竞争中获胜?

时间:2021-09-06 09:43:57 作者:全永森 ( YS Jun) 阅读:
多年来,汽车制造商不断面临对更大功率需求的挑战,不仅要跨越电气化的终点线,而且还要完成 xEV 系列的设计,带来长期效益。要实现积极的电气化目标,最好采用模块化方法,不仅可在多个重要层面提供最高性能,而且还可帮助他们满足最复杂的xEV电源需求。
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“如果您觉得一切都在掌握之中,那就是您的速度还不够快。”— Mario Andretti

多年来,汽车制造商不断面临对更大功率需求的挑战。在早期,汽车使用 6V 电池供电,直到 20 世纪 50 年代中期,汽车系统演变为 12V 电源,以满足对更大功率的永久需求。汽车制造商不仅需要为车窗、转向系统和座椅预测新的供电需求,而且更多电源对于新型高压发动机而言也至关重要。 

最近,在 CO2 排放合规性的刺激下,OEM 厂商不得不重新考虑如何再次为汽车供电。虽然 OEM 厂商正在推出电动汽车,以达到这些标准,但目前还没有一种统一方法,来为电机以及车辆的所有子系统供电。

电源需求的急剧增加使得这一不足更加明显。内燃机汽车的电源功率通常在 600W 到 3kW 之间。全新电气化电动汽车、混合动力汽车和插电式混合动力汽车 (xEV) 都需要 3kW 到 60kW 以上的功率,比原有功率高 5 ~20 倍。 

5 ~20 倍的提升会给车辆供电网络 (PDN) 的尺寸、重量及复杂性带来巨大压力。这些需求将会给能源效率、可靠性甚至舒适性和安全性带来负面影响,因为增加的尺寸和重量会导致车辆特性方面做出妥协。如果汽车制造商继续采用传统供电方式,根本就没有足够的空间来满足所有电气需求。要应对这一挑战,他们需要找到一种轻便紧凑的解决方案,不仅可缓解电源体积的明显增长,而且具有灵活性,可在整个产品线中重复使用。

除了主要技术挑战外,OEM 厂商也在给自己增大压力,承诺在未来 10 年内实现产品全面电气化(图 1),尽管如何实现这一目标的具体细节仍是一个悬而未决的问题。在整个电动汽车市场上,为电气化实现标准化还没有明确的途径。因此,虽然 OEM 厂商可能目标一致,但他们设计的 PDN 将会大相径庭。 

图 1 :到 2030 年,纯电动汽车 (BEV) 将占所有 xEV 的 45%

为电气化发展势头加足马力

多年来,电动汽车的产量不足全球汽车总产量的 1%。瑞士信贷全球汽车研究中心团队数据显示,这一比例将从 2020 年的 11% 飙升至 2030 年的 62%,全球汽车销量将达到 6,300 万辆。其中近一半(2900 万)有望全面实现电气化。

图2 :OEM 厂商已为其产品线电气化制定积极目标。这些目标是打造世界级 xEV 平台的催化剂

什么是电动汽车爆炸式增长的推动因素?虽然排放达标和政府激励措施启动了这一进程,但正是消费者的欲望带来了这一巨大需求,使得 OEM 厂商将电动汽车从细分市场推向主流市场。这些 OEM 厂商现在做出了大胆的承诺。(图 2)

OEM 厂商现在正在为一些最普及、最受青睐的汽车实现电气化。通用悍马、福特新款 Mach E(电动野马)和现在的旗舰车型 F150 轻型卡车(闪电)正在实现电气化。这些车型正吸引着大众的目光,因为它们具有令人振奋的性能提升和时尚的设计。 

这些新型汽车具有更好的快速充电技术和更低的维护及维修成本,是刺激消费需求,增加电动汽车使用率的催化剂。消费者看到了价值,因此增长势头越来越大。

高风险、高性能电气化挑战

汽车平台的数量、消费者选项、不同的动力系统架构以及电池及充电配置的选择,都增加汽车电气化的复杂性,动力系统设计人员必须解决。 

为了优化汽车电气化,OEM 厂商需要提高功率水平,缩减供电网络尺寸和重量,并提供更好的热管理及可重复使用性。设计电源系统的传统方法必须从复杂的定制分立式设计过渡到更小、更灵活、更易于使用、更高密度的模块化解决方案。 

加快电气化的步伐

为了实现积极的电气化目标,OEM 厂商必须重新考虑其供电架构方案。除了找到高效解决方案外,加速和优化电气化还必须满足三大要求。

功率密度:无论是设计一辆速度很快的跑车、一辆轻型卡车还是一辆家用汽车,OEM 厂商都需要在有限的空间内提供尽可能多的电源。汽车需要紧凑高效的电源解决方案。

灵活性/可扩展性:各车系有许多车辆使用同一个平台,因此当修改共享同一个平台的轿车、小型货车和 SUV 等车型的电源时,便捷的电源扩展非常重要。 

可重复使用性:为了实现全车系电气化,OEM 厂商需要能够在不同车型之间重复使用电源设计,以加速上市进程。

功率密度

各种 xEV 平台上使用的电源电子产品的尺寸和重量直接关系到车辆性能、能源效率以及电池续航里程。为了跑得更远更快,OEM 厂商正在积极缩减其电源电子产品的尺寸和重量,并鼓励研发团队降低车辆重量。 比如,Vicor 一个效率为 98% 的小型母线转换器模块 (BCM6135) 重量仅为 68 克,可轻松与 EMI 滤波、更小的散热结构和外壳相结合,取代 25 公斤的 48V 电池。高密度电源模块在一个 61 × 35 × 7 毫米的小型封装中将 400 ~ 800V 的主电池转换为 48V,可提供 2kW 以上的功率,功率密度超过 4.3kW/in3(图 3) 

图3 :减小供电网络的尺寸和重量是新一代 xEV 平台的关键因素。例如,功率为 2.5kW 的Vicor BCM6135 可以放在手心里

灵活性/可扩展性

OEM 厂商设计人员尽可能将集成在车内的子系统实现标准化,以节省时间、资金和资源。然而,随汽车内饰的不同等级需要不同的设计,每个子系统都会略有不同。由于汽车电气化的发展,电源系统设计团队面临供电要求不断变化的挑战。

例如,一辆厢式货车的电源要求可能是 5kW,但为一辆配备短排灯、拖具与犁具以及交流发电机的轻型卡车供电可能需要 10kW。使用相同的平台和一点额外的空间,工程师可快速在阵列中添加或移除预审合格的部件,以增大或减小功率。

此外,模块化的设计还可通过 48V 母线实现分布式电源架构,提供更高的灵活性。电源模块可布置在方便的位置进行 局部48V/12V转换,可以在储物箱后面,靠近后备箱,也可以在每个轮子旁边。部署模块化解决方案,不仅可以提供设计灵活性,而且提供了一种更好的方式来优化电源变化和制造流程。

图4 四个高功率密度模块能够以 300 多种不同的方式组合在一起,支持不同的电源需求和大量不同类型的负载,这一事实最能说明模块化的影响

可重复使用性

在汽车开发过程中,一种最常见的延迟是汽车所用电子组件的审批。有时这一过程可能需要长达两到三年才能通过,才能为单个组件获得生产件批准程序。研发团队通常会想办法重复使用已有组件,以节省开发及审批时间,节省宝贵的资源。 

例如,基于分立式 DC-DC 转换器设计的传统 PDN 可能由 200 多个体积庞大的组件组成,然而 Vicor 的先进技术则只提供单个高密度电源模块。对于工程设计团队来说,为了实现相同的功能,认证一个模块与认证 200 多款独立组件相比,省时下的时间是非常显著的。

此外,模块化方法还允许工程师通过使用三到四个不同类型的可扩展构件模块,实现大约 300 种供电组合。(图 4)这种设计方法总共可节省数百个小时的时间和资源,能够帮助 OEM 厂商在电气化竞争中处于领先地位。 

最后冲刺

OEM 厂商正面临巨大的挑战,不仅要跨越电气化的终点线,而且还要完成 xEV 系列的设计,带来长期效益。采用模块化电源系统设计方法,可在这个重要的市场份额竞争中提供竞争优势。现在需要以全新架构和拓扑的形式进行创新,其不仅可提供当前最高的性能,而且以后还可重复使用、重新配置。 

传统的电源设计无法满足这种程度的灵活性和易用性。对于 OEM 厂商来说,要实现积极的电气化目标,最好采用模块化方法,不仅可在多个重要层面提供最高性能,而且还可帮助他们满足最复杂的 xEV 电源需求。

作者:全永森 ( YS Jun), 现任 Vicor 公司APAC汽车业务发展总监

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年9月刊杂志文章, 版权所有,禁止转载。点击申请 免费杂志订阅 

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