圖1:到 2030 年,純電動(dòng)汽車 (BEV) 將占所有 xEV 的 45%
汽車電氣化競(jìng)爭(zhēng):獲勝的途徑
發(fā)布時(shí)間:2021-08-12 來源:Vicor,全永森 ( YS Jun) 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】多年來,汽車制造商不斷面臨對(duì)更大功率需求的挑戰(zhàn)。在早期,汽車使用 6V 電池供電,直到 20 世紀(jì) 50 年代中期,汽車系統(tǒng)演變?yōu)?12V 電源,以滿足對(duì)更大功率的永久需求。汽車制造商不僅需要為車窗、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和座椅預(yù)測(cè)新的供電需求,而且更多電源對(duì)于新型高壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言也至關(guān)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,汽車制造商不斷面臨對(duì)更大功率需求的挑戰(zhàn)。在早期,汽車使用 6V 電池供電,直到 20 世紀(jì) 50 年代中期,汽車系統(tǒng)演變?yōu)?12V 電源,以滿足對(duì)更大功率的永久需求。汽車制造商不僅需要為車窗、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和座椅預(yù)測(cè)新的供電需求,而且更多電源對(duì)于新型高壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言也至關(guān)重要。
最近,在 CO2排放合規(guī)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(dòng)汽車,以達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn),但目前還沒有一種統(tǒng)一方法,來為電機(jī)以及車輛的所有子系統(tǒng)供電。
電源需求的急劇增加使得這一不足更加明顯。內(nèi)燃機(jī)汽車的電源功率通常在 600W 到 3kW 之間。全新電氣化電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)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(huì)給車輛供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的尺寸、重量及復(fù)雜性帶來巨大壓力。這些需求將會(huì)給能源效率、可靠性甚至舒適性和安全性帶來負(fù)面影響,因?yàn)樵黾拥某叽绾椭亓繒?huì)導(dǎo)致車輛特性方面做出妥協(xié)。如果汽車制造商繼續(xù)采用傳統(tǒng)供電方式,根本就沒有足夠的空間來滿足所有電氣需求。要應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),他們需要找到一種輕便緊湊的解決方案,不僅可緩解電源體積的明顯增長,而且具有靈活性,可在整個(gè)產(chǎn)品線中重復(fù)使用。
除了主要技術(shù)挑戰(zhàn)外,OEM 廠商也在給自己增大壓力,承諾在未來 10 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全面電氣化(圖 1),盡管如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的具體細(xì)節(jié)仍是一個(gè)懸而未決的問題。在整個(gè)電動(dòng)汽車市場(chǎng)上,為電氣化實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化還沒有明確的途徑。因此,雖然 OEM 廠商可能目標(biāo)一致,但他們?cè)O(shè)計(jì)的 PDN 將會(huì)大相徑庭。
圖1:到 2030 年,純電動(dòng)汽車 (BEV) 將占所有 xEV 的 45%
為電氣化發(fā)展勢(shì)頭加足馬力
多年來,電動(dòng)汽車的產(chǎn)量不足全球汽車總產(chǎn)量的 1%。瑞士信貸全球汽車研究中心團(tuán)隊(duì)數(shù)據(jù)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(dá)到 6,300 萬輛。其中近一半(2900 萬)有望全面實(shí)現(xiàn)電氣化。
圖2:OEM 廠商已為其產(chǎn)品線電氣化制定積極目標(biāo)。這些目標(biāo)是打造世界級(jí) xEV 平臺(tái)的催化劑。
什么是電動(dòng)汽車爆炸式增長的推動(dòng)因素?雖然排放達(dá)標(biāo)和政府激勵(lì)措施啟動(dòng)了這一進(jìn)程,但正是消費(fèi)者的欲望帶來了這一巨大需求,使得 OEM 廠商將電動(dòng)汽車從細(xì)分市場(chǎng)推向主流市場(chǎng)。這些 OEM 廠商現(xiàn)在做出了大膽的承諾。(圖 2)
OEM 廠商現(xiàn)在正在為一些最普及、最受青睞的汽車實(shí)現(xiàn)電氣化。通用悍馬、福特新款 Mach E(電動(dòng)野馬)和現(xiàn)在的旗艦車型 F150 輕型卡車(閃電)正在實(shí)現(xiàn)電氣化。這些車型正吸引著大眾的目光,因?yàn)樗鼈兙哂辛钊苏駣^的性能提升和時(shí)尚的設(shè)計(jì)。
這些新型汽車具有更好的快速充電技術(shù)和更低的維護(hù)及維修成本,是刺激消費(fèi)需求,增加電動(dòng)汽車使用率的催化劑。消費(fèi)者看到了價(jià)值,因此增長勢(shì)頭越來越大。
高風(fēng)險(xiǎn)、高性能電氣化挑戰(zhàn)
汽車平臺(tái)的數(shù)量、消費(fèi)者選項(xiàng)、不同的動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)以及電池及充電配置的選擇,都增加汽車電氣化的復(fù)雜性,動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須解決。
為了優(yōu)化汽車電氣化,OEM 廠商需要提高功率水平,縮減供電網(wǎng)絡(luò)尺寸和重量,并提供更好的熱管理及可重復(fù)使用性。設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法必須從復(fù)雜的定制分立式設(shè)計(jì)過渡到更小、更靈活、更易于使用、更高密度的模塊化解決方案。
加快電氣化的步伐
為了實(shí)現(xiàn)積極的電氣化目標(biāo),OEM 廠商必須重新考慮其供電架構(gòu)方案。除了找到高效解決方案外,加速和優(yōu)化電氣化還必須滿足三大要求。
1.功率密度:無論是設(shè)計(jì)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(nèi)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(kuò)展性:各車系有許多車輛使用同一個(gè)平臺(tái),因此當(dāng)修改共享同一個(gè)平臺(tái)的轎車、小型貨車和 SUV 等車型的電源時(shí),便捷的電源擴(kuò)展非常重要。
3.可重復(fù)使用性:為了實(shí)現(xiàn)全車系電氣化,OEM 廠商需要能夠在不同車型之間重復(fù)使用電源設(shè)計(jì),以加速上市進(jìn)程。
功率密度各種 xEV 平臺(tái)上使用的電源電子產(chǎn)品的尺寸和重量直接關(guān)系到車輛性能、能源效率以及電池續(xù)航里程。為了跑得更遠(yuǎn)更快,OEM 廠商正在積極縮減其電源電子產(chǎn)品的尺寸和重量,并鼓勵(lì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)降低車輛重量。
圖3:減小供電網(wǎng)絡(luò)的尺寸和重量是新一代 xEV 平臺(tái)的關(guān)鍵因素。例如,功率為 2.5kW 的Vicor BCM6135 可以放在手心里。
Vicor 一個(gè)效率為 98% 的小型母線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM6135) 重量?jī)H為 68 克,可輕松與 EMI 濾波、更小的散熱結(jié)構(gòu)和外殼相結(jié)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(jié)省 125 至 250 歐元的減重研發(fā)成本。高密度電源模塊在一個(gè) 61 × 35 × 7 毫米的小型封裝中將 400 ~ 800V 的主電池轉(zhuǎn)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(kuò)展性O(shè)EM 廠商設(shè)計(jì)人員盡可能將集成在車內(nèi)的子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,以節(jié)省時(shí)間、資金和資源。然而,隨汽車內(nèi)飾的不同等級(jí)需要不同的設(shè)計(jì),每個(gè)子系統(tǒng)都會(huì)略有不同。由于汽車電氣化的發(fā)展,電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨供電要求不斷變化的挑戰(zhàn)。Vicor 提供的靈活、可擴(kuò)展模塊化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法允許設(shè)計(jì)人員在各種動(dòng)力系統(tǒng)(如 SUV、廂式貨車或輕型卡車)上實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)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(fā)電機(jī)的輕型卡車供電可能需要 10kW。使用相同的平臺(tái)和一點(diǎn)額外的空間,工程師可快速在陣列中添加或移除預(yù)審合格的部件,以增大或減小功率。
此外,模塊化的設(shè)計(jì)還可通過 48V 母線實(shí)現(xiàn)分布式電源架構(gòu),提供更高的靈活性。電源模塊可布置在方便的位置進(jìn)行 局部48V/12V轉(zhuǎn)換,可以在儲(chǔ)物箱后面,靠近后備箱,也可以在每個(gè)輪子旁邊。部署模塊化解決方案,不僅可以提供設(shè)計(jì)靈活性,而且提供了一種更好的方式來優(yōu)化電源變化和制造流程。
圖 4 四個(gè)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(fù)載,這一事實(shí)最能說明模塊化的影響。
可重復(fù)使用性在汽車開發(fā)過程中,一種最常見的延遲是汽車所用電子組件的審批。有時(shí)這一過程可能需要長達(dá)兩到三年才能通過,才能為單個(gè)組件獲得生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通常會(huì)想辦法重復(fù)使用已有組件,以節(jié)省開發(fā)及審批時(shí)間,節(jié)省寶貴的資源。
例如,基于分立式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的傳統(tǒng) PDN 可能由 200 多個(gè)體積龐大的組件組成,然而 Vicor 的先進(jìn)技術(shù)則只提供單個(gè)高密度電源模塊。對(duì)于工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說,為了實(shí)現(xiàn)相同的功能,認(rèn)證一個(gè)模塊與認(rèn)證 200 多款獨(dú)立組件相比,省時(shí)下的時(shí)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(gè)不同類型的可擴(kuò)展構(gòu)件模塊,實(shí)現(xiàn)大約 300 種供電組合。(圖 4)這種設(shè)計(jì)方法總共可節(jié)省數(shù)百個(gè)小時(shí)的時(shí)間和資源,能夠幫助 OEM 廠商在電氣化競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。
最后沖刺
OEM 廠商正面臨巨大的挑戰(zhàn),不僅要跨越電氣化的終點(diǎn)線,而且還要完成 xEV 系列的設(shè)計(jì),帶來長期效益。采用模塊化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,可在這個(gè)重要的市場(chǎng)份額競(jìng)爭(zhēng)中提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?,F(xiàn)在需要以全新架構(gòu)和拓?fù)涞男问竭M(jìn)行創(chuàng)新,其不僅可提供當(dāng)前最高的性能,而且以后還可重復(fù)使用、重新配置。
傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)無法滿足這種程度的靈活性和易用性。對(duì)于 OEM 廠商來說,要實(shí)現(xiàn)積極的電氣化目標(biāo),最好采用模塊化方法,不僅可在多個(gè)重要層面提供最高性能,而且還可幫助他們滿足最復(fù)雜的 xEV 電源需求。
(來源:Vicor,作者:全永森 ( YS Jun),APAC汽車業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān))
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 中微公司成功從美國國防部中國軍事企業(yè)清單中移除
- 華邦電子白皮書:滿足歐盟無線電設(shè)備指令(RED)信息安全標(biāo)準(zhǔn)
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(九)——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴(kuò)散
- 準(zhǔn) Z 源逆變器的設(shè)計(jì)
- 第12講:三菱電機(jī)高壓SiC芯片技術(shù)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
單向可控硅
刀開關(guān)
等離子顯示屏
低頻電感
低通濾波器
低音炮電路
滌綸電容
點(diǎn)膠設(shè)備
電池
電池管理系統(tǒng)
電磁蜂鳴器
電磁兼容
電磁爐危害
電動(dòng)車
電動(dòng)工具
電動(dòng)汽車
電感
電工電路
電機(jī)控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險(xiǎn)絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護(hù)
電路圖