用并聯(lián)48V DC－DC穩(wěn)壓器提高自主駕駛車輛的功率
2023-10-27 11:41:11 點(diǎn)擊：
“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)。
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作者： Steven Keeping
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。
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