純電動汽車 (BEV) 有嚴重的重量問題，這種問題Weight Watchers^?無法解決。

許多純電動汽車比內燃機汽車 (ICE) 重33%。美國國家運輸安全委員會主席指出：“福特F-150 Lightning比非電動版本重2000 到3000 磅?！绷硗?，美國國家經濟研究局 (National Bureau of Economic Research) 發(fā)現，車輛每增加1,000 磅，事故死亡風險就會增加約47%。

因此，汽車 OEM 廠商在嘗試設計續(xù)航里程更長、安全性更高和電子內容更多的純電動汽車時，面臨嚴峻的限制條件。這是該行業(yè)有史以來面臨的最嚴峻研發(fā)挑戰(zhàn)之一。

盡管面臨巨大的挑戰(zhàn)，但如果電動汽車中的傳統(tǒng)超重供電網絡(PDN) 被48 V 區(qū)域架構取代，其中48 V 母線取代原有12 V 系統(tǒng)，則可減少OEM 廠商、消費者和立法者的這些擔憂。部署由高密度電源模塊支持的區(qū)域架構，將以3 種方式減輕重量。這種新架構將實現從粗線束到細線束的過渡，可將線束重量減少85%。此外，低壓輔助電池可拆除并使用電源模塊進行虛擬化，從而可完全消除電池重量。最后，使用電源模塊進行PDN升級，可優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，從而將其重量減少33%。

因此，采用分布式架構替代傳統(tǒng)集中式架構 ，可顯著減輕重量，還可提高整體電力系統(tǒng)效率。

1 采用48 V：對于純電動汽車而言，是一項明顯和期盼已久的改進在每個設計周期，新車都會增加安全、安防和自動

駕駛等新電子產品。每個額外的功能都會增加功耗，使用固定標準化電池已轉化為電流的指數級增長。從電流趨勢來看（圖1），集中式架構PDN 是不可持續(xù)的。要恢復可持續(xù)電流水平并最大限度減少線束重量的同時，滿足不斷增長的電力需求，唯一的方法就是使用區(qū)域架構將工作電壓提高至48 V。

圖1 轉換為48 V系統(tǒng)，會將車輛總電流從250 A 以上降至75 A以下，不會影響車輛電氣性能。自1908年以來，隨著汽車電子設備的增加，汽車電流需求已呈指數級增長。20世紀60年代，OEM廠商將電壓從6 V提高到12 V，導致電流在60年首次減少。盡管現在需要更大的電流，但大多數OEM廠商仍然使用12 V母線。2023年，特斯拉成為首家宣布在整個汽車中全面采用 48 V母線的OEM廠商，這將大大降低電流需求。

當前的純電動汽車由主高壓電池（通常為400 V 或800 V）供電，不僅需要為電動牽引電機供電，而且還需要為大量低壓負載供電，如空調、加熱座椅和信息娛樂系統(tǒng)等。PDN 會將高壓降至48 V 及12 V 輔助電池電壓，為這些子系統(tǒng)供電。

根據歐姆定律，轉而采用 48V 分布式架構將帶來一個機會：。功率輸出相同時，12 V 電源需要的電流是48 V 電源的四倍。因此，12 V 導線一般也比48 V 導線粗四倍。

2 12 V集中式架構的消亡

自20世紀60年代以來，12 V 集中式系統(tǒng)一直是汽車使用的傳統(tǒng)電源架構。該架構由一個龐大的銀盒外殼組成，其中包含一系列分立式組件，例如所有將高壓(HV) 轉換成48 V 至12 V 的DC-DC 轉換器等。這個系統(tǒng)需要使用粗重的導線將12 V 電流傳輸至負載點。

此外，由于傳統(tǒng)的DC-DC 轉換效率低，這種集中式電源系統(tǒng)會從銀盒產生大量熱量，通常需要密集的液冷，這會增加更多的重量。

要過渡到48 V，可在端點位置使用高密度電源模塊，以便在負載點高效轉換為12 V。這使OEM 廠商能夠隨著時間的推移，高度靈活地逐漸將12 V 負載器件過渡到48 V。這有助于在對系統(tǒng)架構干擾最小的情況下，快速實現使用48 V 的優(yōu)勢。

3 48 V分布式架構降低熱損耗、減少電流

這種新穎的48 V分布式架構系統(tǒng)利用了歐姆定律，是行業(yè)轉變的典范，其中 DC-DC 轉換發(fā)生在更靠近負載點的位置，而不是在中央銀盒內完成。在該方案中，高壓至48 V 的轉換有助于將安全的48 V 用作整個車輛的母線電壓。48 V 至12 V 的轉換在負載點位置進行。通過48 V 而非12 V 傳輸電流，導線可以更細、更輕，很明顯，成本也會更低（圖2）。這種更細、更靈活的導線也更容易在車內布局。此外，這種方法可將與DC-DC 轉換器有關的熱損耗均勻地分布在整個車上，從而可使用安裝在底盤上的熱傳導及空氣對流散熱系統(tǒng)的潛能。

圖2 當今汽車有兩種不同的PDN：12 V集中式架構和快速發(fā)展的48 V分布式架構。前者采用12 V粗線束，后者采用48 V細線束，細線束重量更輕，減少了熱損耗，而且將電流降至1/4。

4 計算減少的重量

48 V 分布式架構不僅可更好地支持純電動汽車日益增長的動力需求，同時還可采用3 種方法減輕汽車重量

1.線束：重量銳減約 85%

升級到48 V 分區(qū)架構，意味著傳統(tǒng)的273 克/ 米的12 V、4 號電線將被27 克/ 米的48 V、10 號電線取代。這可減輕大約85% 的導線重量。

2.輔助蓄電池取消：重量減少~100%

電源模塊的分布式架構可加速DC-DC 轉換器的瞬態(tài)響應，從而創(chuàng)建虛擬電池。因此，12 V/48 V 分布式電源模塊不僅可復制12/48 V 低壓電池的特征，同時完全消除了物理12 V 電池，減輕了100% 的重量。

圖3 電源模塊可實現比12 V鉛酸電池更快的瞬態(tài)響應，從而創(chuàng)建虛擬電池，可取代傳統(tǒng)的笨重12 V電池。

5 電源系統(tǒng)優(yōu)化：重量減輕約 33%

用區(qū)域系統(tǒng)取代集中式系統(tǒng)，可將48 V 至12 V 電源轉換從銀盒移至負載點。改進后采用高密度電源模塊提供48 V 輸出的電源系統(tǒng)盒將縮小達33%。因此，外殼重量可減輕多達三分之一(33%)。

在傳統(tǒng)12 V 集中式系統(tǒng)中，分立式組件會在其銀盒外殼內產生環(huán)境高溫。采用高密度電源模塊的電源系統(tǒng)盒產生的熱量較少，而且負載點模塊可在底盤上進行高效的通風散熱。這些改進可使液冷系統(tǒng)瘦身 7%。

圖4 使用電源模塊和分布式架構時，可縮小集中式外殼，因為在48 V轉換為12 V負載的端點可以更高效地散熱。

6 化重量為機遇

OEM廠商可使用分布式架構獲得各種優(yōu)勢。為了說明這一點，請考慮減輕重量對增加行駛里程的影響。車輛越重，能耗就越大，行駛里程也就越短。然而，如果將其用來增加電池尺寸，額外的重量就可降低對續(xù)航里程的影響。額外的電池提供更多的能量存儲，可增加續(xù)航里程。

在Vicor 進行的一項研究中，高密度電源模塊支持的分布架構可將車輛重量減輕40 磅（表1）。在該重量被40 磅的電池所取代時，在不增加凈重的情況下，電動汽車的行駛里程每年可增加4000 英里。

表1 48 V分布式架構與高密度電源模塊相結合，將使緊湊型電動SUV減重約18公斤（40磅）

這一點非常重要，因為美國聯邦公路管理局2023年的數據顯示，美國人平均每年開車的行駛里程為14263 英里。因此，使用48 V 分布式架構可減少每年30% 的充電時間（表2），并增加車輛一次充電的行駛里程。

表2 增加的行駛里程為司機增加了每次充電的行駛距離，減少每年所需的充電次數

7 創(chuàng)新消除重量顧慮

電動汽車超重，這種趨勢既不能持續(xù)，也不利于電動汽車的整體發(fā)展。采用傳統(tǒng)銀盒和分立式組件的12 V集中式架構需要升級到48 V 分布式架構，以優(yōu)化電動汽車的供電網絡和散熱管理系統(tǒng)。分布式架構可將每年的行駛里程增加4000 英里，也可用于實現額外的安全或電子功能。

最高效的區(qū)域架構在負載點使用小型輕量級轉換器。高效的高功率密度模塊是48 V 至12 V 轉換的最佳選擇。

鑒于當前復雜的汽車電力電子產品，OEM 廠商不僅需要創(chuàng)造性地減輕重量，同時還需要提高性能。Vicor是高性能電源模塊的領導者，始終致力于實現創(chuàng)新和創(chuàng)造。Vicor 緊湊型電源模塊、架構和拓撲為汽車OEM 廠商提供高度靈活的可擴展電源解決方案，用于整個車輛的高壓電源轉換。易于部署的電源模塊是原有集中式電源系統(tǒng)使用的傳統(tǒng)分立式設計的替代方案。此外，小巧緊湊的電源模塊也是48 V 區(qū)域架構顯而易見的選擇及合理補充，48 V 區(qū)域架構是汽車行業(yè)供電網絡的未來。

Weight Watchers^?是WW International, Inc.的注冊商標。Vicor是Vicor公司的注冊商標。

（本文來源于《EEPW》2024.1-2期）