文章

如何复刻 12V 汽车电池：采访 Nicolas Richard

铅酸电池 2030 年即将在欧洲消亡，有没有什么替代方案？

电动汽车需要一款可驱动传动系统的高压电池和一款可执行必要卸载任务的改进型 12V 电池。

今天的汽车电池要做的远不止启动汽车以及让收音机一路畅响。过去 10 年，汽车特性和电子产品所需的电量提高了一倍，预计未来 5 年还会继续增加。12V 电池不仅负责为各种设备供电，包括加热座椅和娱乐系统，以及行人探测系统等高级安全特性，而且还负责在旅途中维持汽车的电气网络。

电动汽车需要一款可驱动传动系统的高压电池和一款可执行必要卸载任务的改进型 12V 电池。高压系统关闭时，可使用 12V 电池安全初始化高压电池并为车辆应用供电。在行驶过程中，高压电池为 12V 电池充电并维持负载。

我们和 Vicor 欧洲、中东及非洲汽车业务发展总监 Nicolas Richard 一起来分析一下这项技术的特征。

电力电子新闻：12V 铅酸电池的未来是什么？

NICOLAS RICHARD：欧洲已颁布法令，2030 年之后，所有新车均不再使用铅酸电池，这为 OEM 厂商寻找替代解决方案带来了极大的挑战。

虽然这看上去是一项极为艰巨的任务，但它也带来了巨大的商机，不仅可消除对环境有害的铅酸电池，同时还可减轻车辆的重量并提高整体效率。此外，还可降低制造商面临的电池保修成本。

PEN：当前汽车上的 12V 电池有什么功能？

RICHARD：12V 电池最重要的作用是为需要大量电源的负载提供一个畜电池。车辆典型负载的流耗有两种类型：一种是启动，特别是冷曲柄启动，另一种是稳态运行。两者都需要大量电流来为电容器充电或转动电枢，但随后电流降低，作为一个稳态的蓄电池。

PEN：如果取消 12V 电池，有哪些需要支持的技术注意事项？

RICHARD：电流斜率或瞬态响应。用传统转换器替换车辆中的 12V 电池，可能会导致负载电压下降到足以让负载关闭的水平，从而会导致车辆重启。汽车制造商通常需要 250A/ms 来满足最快负载需求，12V 电池可达到这一要求 (75A/30µs)。

PEN：有哪些备选 12V 电池技术？

RICHARD：将 12V 铅酸电池替换为 12V 锂离子电池是一个选项。虽然这确实可略微减轻重量，但也会保留 12V 配电网络 (PDN) 几十年的传统，产生的额外优势非常有限。另一种选择是支持由电动汽车和混动/插电式混动汽车的 400V 或 800V 主电池供电 12V PDN。

PEN：这些技术的优缺点是什么？

RICHARD：只将 12V 铅酸电池替换为 12V 锂离子电池，的确可减轻约 55% 的重量，但对成本影响很大。12V 锂离子电池需要一套电池管理系统来控制充电，并在汽车使用寿命内保持全电池运行。

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。

然而，这增加的优势有限。相反，它会增加重量、车辆总体布置的复杂性和系统成本，并会降低车辆的整体可靠性。

相比之下，如果不使用 12V 电池，汽车重量将减轻 13kg，货舱空间将增大 2.4%。

PEN：哪些负载将继续依赖 12V？

RICHARD：大多数安全负载和极低功耗负载，如客舱 LED 阅读灯和电动车窗等，将保持 12V。水泵和油泵等所有电源负荷将采用 48V 或高压。

有很多改善乘坐舒适度的研究正在进行。随着汽车的自动化程度越来越高，驾驶员和乘客的旅行体验将变得更像乘坐火车，他们预计这种驾乘会非常平稳。实现这样的平稳驾乘，需要安装电动防倾杆或主动悬架等设备，这些设备需要大量电源。

PEN：电动汽车的主牵引电池可用来为这些负载供电吗？

RICHARD：这使得使用牵引电机电池降压转换为不同的安全电压非常有意义，牵引电机电池是车辆中最大的能源。电动汽车的牵引电机电池一般是 400V 或 800V。

解决该问题的更好方法是完全重新考虑车辆中的 PDN：取消物理 12V 电池，用电动车主电池的 12V“虚拟”电池替换。

理想的汽车架构是用一款高压电池来为传动系统和所有辅助负载供电，前提是它能满足必要的瞬态响应要求。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）直接从高压电池虚拟化出来。

模块化电源方法结合创新的拓扑结构，支持远远超过 12V 铅酸电池 (75A/30µs) 的电流科率 — 瞬态响应。使用电源模块和正弦振幅转换器，可以处理数千安培从高压电池到负载的电流，从而可消除所有压降或负载失控。

PEN：这样做的好处是什么？

RICHARD：主要优点是只有一个电池，可减轻重量。此外，还可简化架构、降低整体装配要求，这对于沉重的 12V 电池来说可能会很复杂。

这种方法还可降低汽车 OEM 厂商的保修成本。12V 电池保修期通常为 3 年。在此期间，如果出现故障，换件的责任就落在汽车制造商肩上了，这可能会带来高昂的成本。

Vicor 模块化方法允许工程师通过使用三到四个不同类型的可扩展构件块模块，实现大约 300 种供电组合。从小型城市汽车到大型 SUV 的各种车型，都可以使用相同的 DC-DC 转换器从一个通用电源平台供电。扩展只涉及添加更多电源模块。

这种设计方法不仅可节省数百个小时的工作时间，而且还可节省大量资源，使 OEM 厂商走在电气化竞争的最前面。

PEN：使用这种方法，需要考虑的主要注意事项是什么？

RICHARD：基于分立式 DC-DC 转换器设计的传统 PDN 可能由 200 多个体积庞大的组件组成，然而 Vicor 先进技术则只提供单个高密度电源模块。对于工程设计团队来说，当一款模块需要认证，与相同功能的 200 多款独立组件需要认证相比较时，会节省大量的时间。

PEN：实现这一点，需要什么额外的架构或组件？

RICHARD：不需要额外的组件，因为高压到 12V 的 DC-DC 转换器已是电动汽车的重要组件。Vicor 技术可带来额外的特性，因为移除 12V 电池会产生快速瞬态响应。

此外，Vicor 还在进行组件冗余研究，以提高功能安全性。

PEN：Vicor 为这种应用提供了什么解决方案？

RICHARD：Vicor BCM™ 母线转换器采用零电压、零电流开关 (ZVS/ZCS) 技术，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 工作频率为 1.2 MHz，与常规 ZVS/ZCS 谐振转换器不同，其工作在窄带频率下。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）和低阻抗路径可共同帮助 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。

本文最初由 Power Electronics News 发表。

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。