作者： Patrick Kowalyk， 汽車首席現場應用工程師

隨著汽車行業向電動汽車（EV）轉型，設計工程師在開發底層電力架構時面臨諸多挑戰。例如，800V 牽引電機逆變器中的大電容負載需要專用的預充電電路，以避免會損壞元器件的浪湧電流。

與此同時，電動汽車設計師不斷努力减小系統的尺寸、減輕重量和降低成本。他們面臨的挑戰是，如何設計出既穩健可靠又能將設計工作量和成本降到最低的電力架構。要實現這一平衡，工程師需要考慮新的電源系統設計方法。

借助高密度電源模組，工程師就可以設計創新的架構，在與車輛預充電相關的各種因素間實現完美平衡。而固定比率轉換器模組是開發最高效的預充電系統的關鍵。

抑制大浪湧電流

電動汽車的運行離不開四個主要組件：牽引電池、DC-DC 轉換器、牽引電機逆變器和電機。在這個結構中，電池為牽引電機逆變器提供高壓（800V）直流電源，而逆變器又提供交流電來驅動電機。

從牽引電池向牽引電機逆變器供電帶來了安全和可靠性方面的挑戰。牽引電機逆變器偶爾會接收大電流，因此需要集成大容量的直流支撐（DC-link）電容器以保持穩定的直流供電。在許多車輛中，總直流支撐電容可能高達約 58000µF，形成了巨大的電容負載。

在車輛啟動時，這些電容未充電（0V），直接將驅動電池連接到驅動電機逆變器會導致很大的浪湧電流。當電池線路的電阻為數微歐姆，電池工作電壓為 800V 時，根據歐姆定律，流經的電流（以安培為組織）如下： I= (800V - 0V)/R。

這種大浪湧電流會給系統帶來安全風險，包括導致接地故障、設備損壞和保險絲熔斷。此外，與直流支撐電容充電相關的高 dV/dt 可能會導致振鈴和元器件損壞。

The best practices of proper pre-charging

為了解决這些問題，電動汽車採用預充電電路，作為在車輛啟動過程中限制浪湧電流的基本手段。

大多數電動汽車通過在牽引電池和牽引電機逆變器之間使用專用接觸器和限流電阻來完成預充電（如圖 2 所示）。在預充電過程中，SW1 斷開，而 SW2 和 SW3 閉合。在這種模式下，車輛通過串聯電阻R1對直流支撐電容進行預充電，有效地限制了浪湧電流。當直流支撐電容的電壓達到 800V 時，預充電完成，SW3 斷開，SW1 閉合，使車輛可以在正常條件下運行。

這種預充電方法確實有效，但遠非理想選擇。它的一個主要缺點是需要使用額外的元器件，包括一個堅固但笨重且昂貴的預充電接觸器。在空間、重量和成本至關重要的電動汽車中，這些額外的組件並不受歡迎。

另一個挑戰是，使用高壓母線進行預充電，容易導致與過熱相關的故障。例如，在短時間內多次重複啟動和關閉車輛，會導致預充電電阻長時間處於電流過大的狀態。這種重複的功率消耗會導致電阻過熱，使系統面臨短路和故障風險，而且有可能損壞高壓電路。要保護預充電電路，需要專用的安全電路，而這樣就會進一步新增系統的物料（BOM）、重量和成本。

突破思維定勢，利用固定比率轉換器

Vicor 的 BCM® 系列固定比率轉換器提供了一種獨特的電壓轉換形式，帶來了一種新穎、更有效的預充電方式。

固定比率轉換器是非穩壓隔離式 DC-DC 轉換器，峰值效率可達 98%。它們類似於交流變壓器，根據轉換器的匝數比或 K 因數完成固定比率降壓或升壓（如圖 3 所示）。最重要的是，它們支持雙向轉換，也就是說，同一個模組可以根據電流流動的方向進行升壓或降壓。

在電動汽車預充電場景下，固定比率轉換器的價值在於它們能够以獨特的方式，利用低壓母線完成預充電。

所有電動汽車都使用兩塊電池：主牽引電池（工作電壓為 400V 或 800V）和低壓電池（工作電壓為 12V 或 48V）。在車輛關閉時，由低壓電池為低壓輔助設備（如收音機和系統控制）供電。當車輛啟動後，牽引電池通過專用的 DC-DC 轉換器和穩壓器為輔助低壓設備供電（如圖 4 所示）。所有電動汽車都進行這種轉換，這通常通過開關模式電源轉換器等單向解決方案實現。

使用高密度電源模組設計預充電方法

有了固定比率電源轉換器模組，電源系統設計師就可以設計有效的預充電方法，既無需額外的元器件，又不新增成本或重量。

設計師可以使用固定比率轉換器，從低壓電池對牽引電機逆變器的直流支撐電容進行預充電，而不需要直接通過牽引電池進行預充電。在這種設計中，用於從高壓母線為低壓母線供電的標準 DC-DC 轉換器被固定比率轉換器（如 Vicor BCM6135）和 DC-DC 穩壓器（如 Vicor PRM3735）所取代。重要的是，元器件總數量與原始實現方法相比保持不變。

在預充電過程中， SW1 和 SW2 處於斷開狀態，完全斷開與牽引電池的連接。 在這種模式下，PRM3735 對來自低壓電池的 48V 電壓進行調節，然後由 BCM6135 升壓至 800V，對牽引電機的直流支撐電容進行預充電。PRM3735 的輸出電流是可控的，因此這種架構可以在預充電過程中避免不受控制的大浪湧電流。

預充電完成後， SW1 和 SW2 隨後閉合。利用固定比率轉換器的雙向轉換功能，同一個固定比率轉換器和 DC-DC 穩壓器現在可以變換極性，將來自牽引電池的 800V 降壓至 48V，為低壓母線供電。

這種方法可以帶來多方面的明顯優勢：

1. 無需新增成本或元器件即可實現預充電
   這種架構使電源系統設計師能够在不新增部件的情况下實現可靠、受控制的預充電。他們可以使用傳統系統中現有的元器件（DC-DC 轉換器和 DC-DC 穩壓器），用高壓母線對低壓母線進行預充電和供電。 與需要額外的接觸器、電阻和安全電路的傳統預充電方案相比，這種方法顯著降低了物料成本。組件數量的减少直接意味著更小的系統尺寸、更輕的重量和更低的成本。
2. 高度可靠，風險更低
   固定比率轉換器比使用串聯電阻的傳統預充電方法更加可靠，而且不易出現過熱或故障。
3. 最節能的方法
   固定比率轉換器方法的效率極高。由於 DC-DC 穩壓過程中不需要進行電壓轉換（48V 至 48V 穩壓），因此所有電壓轉換都在固定比率轉換器中完成。憑藉高達 98% 的效率，固定比率轉換器幾乎無損耗，可以最大限度地减少整個過程中的浪費。這樣就可以新增車輛續航里程，降低熱管理需求。

電源模組减少所需物料，降低成本並減輕重量

隨著從燃油車向電動汽車的轉型不斷推進，對更經濟、小巧、輕便的電源系統的需求日益增長。要滿足這一需求，必須採用創新的方法，設計更有效的電動汽車供電網路。

憑藉高效的固定比率轉換器，Vicor 為電源系統設計師帶來了前所未有的設計靈活性和全新的架構選項。利用現有組件進行預充電，只是展示固定比率電源轉換器模組强大功能的一個例子。展望未來，隨著電源系統進一步發展並成為汽車中不可或缺的組成部分，固定比率轉換器將幫助打造更永續、更經濟的未來汽車。

Patrick Kowalyk 從事汽車電源系統研發已有 6 年多的時間，而且是一比特擁有數十年實踐經驗的工程師。Patrick 擁有深厚全面的技術知識，為推動 Vicor 的汽車業務發展做出了重大貢獻。他精通電源模組、拓撲結構和架構方面的技術，在業內可謂無人能及。Kowalyk 一直致力於幫助 OEM 廠商和頂級供應商客戶設計緊湊、高效的電源系統。他畢業於伊利諾伊理工學院，獲得了電氣工程學士學位。

Patrick Kowalyk，汽車業務首席現場應用工程師