12V铅酸电池即将退出市场？

2022-01-18 15:31:35 Nicolas Richard，Vicor 欧洲汽车业务开发总监

没错，汽车12V 铅酸电池即将退出市场。欧洲已颁布法令，2030 年之后，所有新车均不再使用铅酸电池，这给 OEM 厂商寻找替代解决方案带来了极大的挑战。虽然这似乎是一项艰巨的任务，但它也可带来巨大的机遇，不仅可消除对环境有害的电池，同时还可减轻车辆重量并提高整体效率。

12V 电池及供电网络 (PDN) 是全球标准，支持数百种负载，包括一些与安全密切相关的负载，因此，解决方案既要有创新性，而且还必须坚固。用来连接高压、48V 和 12V PDN 的高密度、大功率、高效电源模块，可针对这一即将出现的挑战提供具有最高灵活性及可扩展性的解决方案。

在考虑潜在解决方案时，OEM 厂商必须考虑几个重要因素：增加功率来支持性能更好的新特性，提高效率以延长行驶里程并优化热管理，减少二氧化碳，优化电缆布线，减轻线束重量，以及满足 EMI 要求。这些都是这个复杂方程式中的一些变量。

为该方程式求解有两个主要选项。将 12V 铅酸电池替换为 12V 锂离子电池是一个选项。虽然它确实可略微减轻重量，但也会保留 12V PDN 几十年的传统，不会产生其它优势。另一个选项是支持电动汽车和混合动力汽车/插电式混合动力汽车中由 400V 或 800V 主电池供电的 12V PDN。后一种选项优势众多，但这两种选项都值得进一步探索。

采用 12V 锂离子电池
简单地将 12V 铅酸电池替换为 12V 锂离子电池，的确可节省约 55% 的重量，但对成本影响很高。12V 锂离子电池需要一个电池管理系统（BMS）来控制充电并在汽车的整个生命周期内保持电池的全面工作。特斯拉和现代的发展方向就是这样的。

此外，还需要增加一款从高压到 12V 的大型 DC-DC 转换器（具有电压和电流调节特性），才能为 12V 锂离子电池充电并为电气负载供电。但这不会增加任何优势。它所增加的只是重量、车辆总体布置的复杂性和系统成本，而且还会降低车辆的整体可靠性。相比之下，消除 12V 电池，不仅可将汽车重量减少 13kg，还可将货舱空间增大 2.4%。

传统的 12V PDN 效率低
维护一款 12V 的物理电池，就意味着维护一个具有不必要冗余的低效率 PDN。在典型的汽车 12V PDN 中，所有连接 12V 母线的 12V 负载都有内部前置稳压器，可将宽输入电压范围（通常从 6V 到 16V）转换为 5V、3.3V 或更低电压。从全球系统角度来看，无论是电动汽车、混合动力汽车，还是插电式混合动力汽车，都有串联稳压器冗余。一款从高压到 12V 的 DC-DC 转换器可为 12V 母线（效率高）稳压，而前置稳压器则可为每个负载提供合适的内部电压（图 1）。

这种传统架构起源于汽车配备交流发电机的时代，交流发电机是一种敏感的 12V PDN，需要稳压才能为电池充电，在启动事件中保持无线电工作，或让车的白炽大灯保持适当亮度。OEM 厂商非常有创意地绕过了 12V 电源限制，近年来设计了两款 12V 电池，一款用于动力转向的 24V 电池以及其间的几款 DC-DC 转换器。

图 1：xEV 使用的典型 E/E，采用使用冗余稳压器的 12V 电池。高压至 12V 的 DC-DC 可为 12V 输出稳压，为 12V 电池充电。车辆中的每个 12V 负载都有一个前置稳压器，以提供负载工作所需的适当电压。图 1：这两个机器人平台的规模大不相同，但它们的供电网络却有很多共同之处。模块化方法有助于高度灵活地完成初始设计，通常能加速交付后续电源系统设计。

用虚拟电池替代 12V 电池
解决该问题的更好方法是完全重新考虑汽车 PDN：取消 12V 的物理电池，用电动汽车主电池中的 12V “虚拟”电池替代（图 2）。每辆电动汽车都有一个主电池，因此搭载额外的储能设备无意义。理想的车辆架构是使用一款高压电池为动力系统及所有辅助负载供电。Vicor 高密度母线转换器模块技术可实现这一方案，它将低压电池（48 或 12V）直接从高压电池（400 或 800V）虚拟化出来。

图 2：优化的 E/E 架构可取消 12V 的物理电池。使用 Vicor BCM 母线转换器技术转化高压电池，可创建虚拟 12V 电池。

Vicor BCM® 母线转换器采用零电压、零电流开关（ZVS/ZCS）技术，其工作频率比常规转换器高，因此其响应速度比物理电池快。例如，BCM6135 与常规 ZVS/ZCS 谐振转换器不同，工作频率为 1.2MHz，该 BCM 在窄带频率下工作（图 3）。BCM 的高频率工作可针对负载电流的变化以及从输入到输出的低阻抗路径提供快速响应。固定比率转换、双向工作、快速瞬态响应（每秒超过 8MA）和低阻抗路径相结合，可帮助 BCM 使高压电池看起来像 48V 电池，我们将其称为“变压”。与常规转换器相比，这种对电源进行变压的功能既是重要优势，也是重要的差异化特性。

图 3：BCM6135 的快速负载瞬态响应是支持 12V 负载的关键。瞬态响应为每秒 800 万安培 (8MA/s)。黄色：输入电压 (800VDC)，红色：输出电压 (48V)，蓝色：输出电流。

图 4：BCM 母线转换器的功能框图。虽然 BCM 可进行 DC-DC 转换，但它还可使用变压器进行高效的 AC-AC 转换，不仅可按 K 因数缩放大小，而且还可使用开关模块在 AC 与 DC 之间进行转换。开关在高频率下完成，而且由于具有和变压器一样的能量传输特性，因此转换不仅能对瞬态负载变化做出快速响应，而且还可在输入和输出之间提供一个低阻抗路径。

Vicor BCM 可用作固定比率转换器，其中输出电压是输入电压的一个固定比值。Vicor BCM6135 转换器为隔离式，采用 61 x 35 x 7 毫米封装提供 2.5kW 的电源，峰值效率超过 97%。它可轻松并联在阵列中，提供更大功率。

该 BCM 的固定比率属性可确保虚拟电池保持在其适当的工作范围内。例如，在 800V 电池供电的电动汽车中，可确保高压电池在 520 至 920V 之间。比率为 1/16 的 BCM6135 可为 48V 电池实现虚拟化，确保电压范围在 32.5 和 57.5V 之间。BCM6135 1/8 的比率可用于 400V 电动汽车（图 3）。

电池虚拟化还可使用 1/4 固定比率转换器扩展至 12V 母线。这种情况不需要电流隔离，可以使用 Vicor NBM™ 母线转换器。与 BCM 的其它特性相同，NBM 非隔离母线转换器具有上述所有优势：快速瞬态响应、低阻抗和双向工作。12V 母线上的电压范围保持在 8.125V 与 14.375V 之间，与高压电池电压的比率是固定的。BCM 和 NBM 技术是连接汽车各供电网络的理想变压器。

表 1：采用 Vicor BCM/NBM 母线转换器技术的 48V 母线和 12V 母线上的最小电压和最大电压。48V 和 12V 电压范围均符合 VDA 320 和 LV 124 标准。

图 5：基于 BCM6135 和 NBM2317 模块的 12V 及 48V 电池虚拟化 E/E 架构。48V 母线还可作为一个更高效电源，为车辆中的更高负载供电，如空调冷凝器、水泵和主动底盘稳定系统等。

确保功能安全负载的供电冗余至关重要。Vicor 电源模块在电源与传输方面完全可扩展，因此可将其设计成冗余 PDN，从而可通过两条专用电源转换路径实现为功能安全至关重要的负载供电。最终，OEM 厂商可实施本地化能量存储，确保 ADAS、转向和刹车等重要系统的功能安全运行。

电动汽车供电网络将何去何从
12V 铅酸电池将很快退出欧洲市场。鉴于所有的创新都推动了电动汽车供电网络重新设计，这个时机非常合适。

汽车电气 PDN 正处于 12V 供电的十字路口。试图保持最少的架构变化的同时，越来越多的严格电源负载应用于车辆。特斯拉首席执行官 Elon Musk 表示：“我们为什么还要用 12V 电压？12V 只是残留的电压，的确太低了。”

OEM 厂商正在争先恐后地设计更好的 PDN，为电动汽车提供更大的里程和更高的性能。完全取消 12V 电池明显是一个长期解决方案，不仅可减少重量和空间，而且还能提供更好的瞬态响应及系统性能。Vicor 技术不仅可实现这些优势，而且还可提供无与伦比的灵活性、可扩展性和功率密度。Vicor 的 PDN 模块方案为解决新一代 xEV 的 12V 供电网络的近期挑战提供理想的构建模块。

Nicolas Richard，Vicor 欧洲汽车业务开发总监

在加入 Vicor 之前，Nicolas 在 IDT（瑞萨电子）担任北美汽车业务部负责人，主要从事动力系统、信息娱乐系统与 ADAS 系统的技术销售。在加入 IDT 之前，他曾在安森美担任过 4 年的现场应用工程师，领导一个内部设计及应用团队（是一支“从概念到产品冠军”团队），负责安森美在密歇根州底特律的汽车销售新产品增长战略。他的工作经历还包括在大陆汽车公司的 9 年工程与开发工作，在此期间，他曾在大陆汽车混合动力与电动汽车部门担任各种工程设计职务，主要设计 DC/DC 转换器和牵引逆变器。

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