电动汽车系统的挑战和设计方案

芝能汽车出品

特斯拉开始使用48V系统以后，在电气领域和通信架构领域出现了新的动向，48V区域架构正在成为提高电动汽车性能和效率的关键技术。

在特斯拉的方案里，还是保留了传统的48V电池，电源模块可以在整个电源网络里提供重要的作用。关于这方面如何设计，Vicor介绍了48V区域架构如何优化电池电动车辆（BEV）的电池系统，这是一种比较有价值前瞻的方案。

当然我们也看到，围绕12V和48V的方案切换，对低压电气架构影响是很大的，所以目前还是以前瞻的思考为主。

Part 1

电动汽车系统的挑战

电动汽车系统面临的主要挑战包括与路边充电器的兼容性、系统复杂性处理、重量最小化和功率耗散。随着纯电动负载从12V逐渐过渡到48V，包括电机负载、非电机负载（如智能汽车的计算平台、加热挡风玻璃等）和功能安全负载（如电动助力转向、智能电子制动等），这些挑战变得更加复杂。

●系统复杂性：随着电动汽车功能的增加，电气系统变得更加复杂，传统的集中式架构难以满足需求。

●兼容性问题：不同电压标准的充电站（400V和800V）之间存在兼容性问题，导致充电不便。

●重量和散热：电动汽车需要尽可能减轻重量和有效散热，以提高续航里程和系统效率。

从这张图里来看，主要包含了12V和48V负载，整车的低压负载是通过48V传输的，12V的电气负载是通过48V进行转换。

从集中式到区域化的电子电气（E/E）架构转变，是为了应对日益增长的负载需求。

区域E/E架构配备了高性能计算单元，并通过CAN总线和汽车以太网连接，实现了更高效的负载管理和电源分配。

48V PDN通过集成充电器和48V电源传递网络到电池包中，解决了400V和800V充电基础设施之间的不兼容性问题。这种集成不仅减少了热量、成本和重量，还提高了系统的整体效率。

Part 2

设计方案

从整体来看，使用高密度电源模块的48V区域PDN带来了多方面的好处，包括减少系统重量、尺寸和复杂性，提供灵活性和可扩展性，加快上市时间，简化电源传递网络，并减少线束的重量和成本。

通过在电池系统组装中集成48V转换，可以在工厂减少车辆组装时间，并通过集成节省成本。

48V PDN解决方案包括使用BCM6135和PRM3735等组件，这些组件提供了高瞬态响应和效率，以及稳定的调节输出电压。这些电源组件的应用，使得48V和12V负载能够更有效地管理和分配。

为了进一步减少PDN的尺寸和重量，提出了使用虚拟电池的概念，以创新的方式消除或最小化电池的需求。

为了使800V的BEV能够在400V的充电站充电，基于Vicor NBM9280并行解决方案的充电器，在冷却液温度为50°C时也能保持高性能。

高密度电源模块（如Vicor的NBM9280和BCM6135），可以进一步提高系统效率和响应速度。这些模块具有以下优势：

●高效率：BCM6135在800V输入电压下的峰值效率可达97.3%。

●高瞬态响应：在负载电流快速变化时，能保持稳定的输出。

●模块化设计：每个电源模块可以轻松并联或扩展，以适应不同功率需求，从1kW到20kW不等。

从结果来看，通过更小的功率模块的导入，分布式架构比起原来的集中式电气架构，能带来更轻的效果。

为了更好地管理和分配电力，汽车电气架构从过去的分布式架构，经过现在的域集中架构，逐渐演变为未来的区域架构。区域架构通过高性能计算单元和区域控制单元（ZCU），实现更高效的电力管理和更低的系统复杂性。

小结

这种围绕电源模块的48V区域架构，通过使用低压配电系统优化，不仅减轻了系统的重量和复杂性，还提供了灵活性和可扩展性。从设计层面还是很有特点的！