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用并聯(lián)48V DC-DC穩(wěn)壓器提高自主駕駛車輛的功率

發(fā)布時(shí)間:2023-11-01 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著包括主動(dòng)懸掛、轉(zhuǎn)向、氣候控制、電動(dòng)座椅和電動(dòng)車窗以及高級(jí)信息娛樂系統(tǒng)在內(nèi)的電氣系統(tǒng)數(shù)量的增多,對電源的需求也在日益增加,進(jìn)而推動(dòng)了汽車電源系統(tǒng)從 12 V 向 48 V 的轉(zhuǎn)變。事實(shí)證明,48 V 電源是有效提供大量電能的最佳選擇,而 12 V 系統(tǒng)則需要昂貴的元器件和大量的布線工作,否則就無法滿足基于 12 V 系統(tǒng)的嚴(yán)格的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)。


隨著包括主動(dòng)懸掛、轉(zhuǎn)向、氣候控制、電動(dòng)座椅和電動(dòng)車窗以及高級(jí)信息娛樂系統(tǒng)在內(nèi)的電氣系統(tǒng)數(shù)量的增多,對電源的需求也在日益增加,進(jìn)而推動(dòng)了汽車電源系統(tǒng)從 12 V 向 48 V 的轉(zhuǎn)變。事實(shí)證明,48 V 電源是有效提供大量電能的最佳選擇,而 12 V 系統(tǒng)則需要昂貴的元器件和大量的布線工作,否則就無法滿足基于 12 V 系統(tǒng)的嚴(yán)格的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)。

此外,隨著內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車隊(duì)被電動(dòng)汽車 (EV) 取代,48 V 系統(tǒng)的采用速度也將加快。雖然電動(dòng)汽車使用 400 V,甚至是 800 V 系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)車輪,但多家制造商,尤其是擁有 CyberTruck 技術(shù)的 Tesla 已經(jīng)利用設(shè)計(jì)全新汽車的機(jī)會(huì),將 48 V 作為汽車其他電氣系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。

功率越高,阻性損耗越低

但為什么要放棄成熟且經(jīng)過驗(yàn)證的 12 V 技術(shù)呢?畢竟,幾十年來 12 V 系統(tǒng)一直表現(xiàn)良好,而且仍然擁有龐大的元器件供應(yīng)鏈和成熟產(chǎn)品。答案很簡單,因?yàn)橐郧暗钠胀ㄆ囆枰獮檐噧?nèi)照明、收音機(jī)和點(diǎn)煙器(沒錯(cuò),那時(shí)的汽車有內(nèi)置點(diǎn)煙器)提供電源,而電動(dòng)轉(zhuǎn)向、GPS 和座椅加熱則是汽車設(shè)計(jì)師夢寐以求的功能。除了標(biāo)準(zhǔn)的 12 V 電壓外,根本不需要任何額外的電源。此外,鉛酸電池每節(jié)可提供約 2 V 的電壓,因此六節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電池可提供所需的 12 V 電壓,并具有非常基本且廉價(jià)的穩(wěn)壓功能。

但是,上一代汽車設(shè)計(jì)師的夢想今天已成為現(xiàn)實(shí),所有類型的汽車,無論是傳統(tǒng)汽車、軟混動(dòng)汽車、混合電動(dòng)汽車 (HEV) 還是純電動(dòng)汽車,都需要更多的電源。功率 (P)(單位:W)= 電壓 x 電流(單位:A)。這個(gè)簡單的等式告訴我們,提高電壓或電流(或者同時(shí)提高)可獲得更高的功率。但我們也知道,P = A2 x 電阻(單位:歐姆 (Ω))。也就是說,僅僅通過增加電流來實(shí)現(xiàn)提高功率,會(huì)使阻性損耗成倍增加,并造成更多的熱管理方面的挑戰(zhàn)。

最好的辦法是提高電壓,以獲得更大的功率。例如,假設(shè)我們需要從 12 V 電源提供 75 W 的功率。這需要 75/12 = 6.25 A 的電流。但是,如果我們將電源電壓提高到 48 V,75/48 = 1.6 A 的電流就可以獲得相同的功率。電流減少 75% 意味著汽車設(shè)計(jì)師可以使用更輕的導(dǎo)線,從而減小重量并降低成本(圖 2)。



圖 2:通過為關(guān)鍵系統(tǒng)提供 48 V 電源,汽車設(shè)計(jì)師可以減少線束的重量和成本。(圖片來源:Vicor)


汽車以外的 48 V 電源

汽車并不是唯一能從 48 V 總線受益的輪式系統(tǒng)。例如,倉庫機(jī)器人、輪椅、叉車和自動(dòng)末端運(yùn)送車輛都在利用 48 V 電源(圖 3)。與汽車不同,這些車輛主要使用 48 V 電源為牽引電機(jī)供電;倉庫機(jī)器人幾乎不需要加熱座椅或信息娛樂系統(tǒng)。



圖 3:得益于為牽引電機(jī)提供 48 V 電源,自動(dòng)末端運(yùn)送車輛可以更快、更高效地到達(dá)目的地。(圖片來源:Vicor)


在這些類型的產(chǎn)品中,12 V 鉛酸電池正被由多個(gè)電池單元組成的 48 V 鋰離子 (Li-ion) 電池所取代。作為工程師,我們知道此類電池的標(biāo)稱電壓為 48 V,但隨著放電,電壓會(huì)下降。這意味著我們需要良好的穩(wěn)壓功能,以便在電池放電時(shí)保持電壓穩(wěn)定。

Vicor 提供隔離式(直流 3000 VDC)穩(wěn)壓式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器線路就是此類應(yīng)用的理想之選。例如,DCM2322T72S53A0T60 轉(zhuǎn)換器采用 14 V 至 72 V 輸入電壓,提供 48 V 穩(wěn)壓輸出,電流高達(dá) 2.1 A,可實(shí)現(xiàn) 100 W 輸出功率。該轉(zhuǎn)換器采用高頻零電壓開關(guān) (ZVS) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),效率高達(dá) 90.1%,可保持低溫并延長電池壽命,同時(shí)達(dá)到每立方英寸 401 瓦 (in.3) 的高功率密度。

提升功率

DCM2322T72S53A0T60 是一款高能效穩(wěn)壓器,但在某些運(yùn)行模式下,例如電動(dòng)輪椅爬坡時(shí),該應(yīng)用可能需要 100 W 以上的功率。一種選擇是指定輸出功率更大的 48 V DC-DC 穩(wěn)壓器。例如,DCM2322TA5N53A2M60 可在 48 V 電壓下從 43 V 至 154 V 電源提供最高 120 W 的功率。使用單個(gè)更高功率穩(wěn)壓器的代價(jià)是,峰值能效通常會(huì)有所下降,而且熱管理變得更具挑戰(zhàn)性。

另外,DCM2322T72S53A0T60 可作為模塊陣列輕松部署,以提高功率輸出。多達(dá)八個(gè)單元的陣列已通過認(rèn)證,功率可達(dá) 800 W。好消息是,陣列的最大功率是單個(gè)模塊最大功率的總和。陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會(huì)強(qiáng)制降額。更妙的是,必要時(shí)陣列中的每個(gè)模塊都可以使用不同的輸入電壓供電,而在 48 V 電壓下仍能提供高達(dá) 100 W 的功率。

在陣列模式下使用 DCM2322 模塊時(shí),需要在設(shè)計(jì)上進(jìn)行權(quán)衡:用一個(gè)去耦網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。實(shí)際上,這意味著每個(gè) DCM2322 只需在輸出被饋入公共總線之前安裝一個(gè)輸出電容器。即使所有模塊共用一個(gè)輸入電壓源,每個(gè) DCM2322 也需要一個(gè)單獨(dú)的輸入濾波器。濾波器用于限制每個(gè)模塊反射的紋波電流,并協(xié)助抑制拍頻電流的產(chǎn)生,當(dāng)允許多個(gè)動(dòng)力輸入級(jí)直接相互作用時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生拍頻電流(圖 4)。



圖 4:DCM2322 DC-DC 穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器可以陣列方式布置,提供高達(dá) 800 W 的功率;原理圖顯示了高效、安靜運(yùn)行所需的輸入濾波器和去耦網(wǎng)絡(luò)。(圖片來源:Vicor)


結(jié)束語

將 12 V 電源轉(zhuǎn)換為 48 V 電源為倉庫機(jī)器人、電動(dòng)輪椅和自動(dòng)末端運(yùn)送車等應(yīng)用帶來了關(guān)鍵的系統(tǒng)優(yōu)勢。此類優(yōu)勢包括降低電流,從而能夠使用重量更輕、成本更低的線束。

但是,隨著這些終端產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高,對電源的需求也在增加。您可以使用多個(gè)并聯(lián)的 Vicor 高功率密度穩(wěn)壓式 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換器來相應(yīng)地?cái)U(kuò)展您的電源系統(tǒng)。這樣,就可以讓 48 V 系統(tǒng)提供高達(dá) 800 W 或更高的功率。

(作者: Steven Keeping)


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