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如何復刻 12V 汽車電池：採訪 Nicolas Richard

鉛酸電池 2030 年即將在歐洲消亡，有沒有什麼替代方案？

電動汽車需要一款可驅動傳動系統的高壓電池和一款可執行必要卸載任務的改進型 12V 電池。

今天的汽車電池要做的遠不止啟動汽車以及讓收音機一路暢響。過去 10 年，汽車特性和電子產品所需的電量提高了一倍，預計未來 5 年還會繼續新增。 12V 電池不僅負責為各種設備供電，包括加熱座椅和娛樂系統，以及行人探測系統等高級安全特性，而且還負責在旅途中維持汽車的電力網路。

電動汽車需要一款可驅動傳動系統的高壓電池和一款可執行必要卸載任務的改進型 12V 電池。高壓系統關閉時，可使用 12V 電池安全初始化高壓電池並為車輛應用供電。在行駛過程中，高壓電池為 12V 電池充電並維持負載。

我們和 Vicor 歐洲、中東及非洲汽車業務發展總監 Nicolas Richard 一起來分析一下這項科技的特徵。

電力電子新聞：12V 鉛酸電池的未來是什麼？

NICOLAS RICHARD：歐洲已頒佈法令，2030 年之後，所有新車均不再使用鉛酸電池，這為 OEM 廠商尋找替代解決方案帶來了極大的挑戰。

雖然這看上去是一項極為艱巨的任務，但它也帶來了巨大的商機，不僅可消除對環境有害的鉛酸電池，同時還可減輕車輛的重量並提高整體效率。此外，還可降低製造商面臨的電池保修成本。

PEN：當前汽車上的 12V 電池有什麼功能？

RICHARD:12V 電池最重要的作用是為需要大量電源的負載提供一個畜電池。車輛典型負載的流耗有兩種類型：一種是啟動，特別是冷曲柄啟動，另一種是穩態運行。兩者都需要大量電流來為電容器充電或轉動電樞，但隨後電流降低，作為一個穩態的蓄電池。

PEN：如果取消 12V 電池，有哪些需要支持的科技注意事項？

RICHARD：電流斜率或瞬態回應。用傳統轉換器替換車輛中的 12V 電池，可能會導致負載電壓下降到足以讓負載關閉的水准，從而會導致車輛重啓。汽車製造商通常需要 250A/ms 來滿足最快負載需求，12V 電池可達到這一要求（75A/30µs）。

PEN：有哪些備選 12V 電池科技？

RICHARD：將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池是一個選項。雖然這確實可略微減輕重量，但也會保留 12V 配電網路（PDN）幾十年的傳統，產生的額外優勢非常有限。另一種選擇是支持由電動汽車和混動/插電式混動汽車的 400V 或 800V 主電池供電 12V PDN。

PEN：這些科技的優缺點是什麼？

RICHARD：只將 12V 鉛酸電池替換為 12V 鋰離子電池，的確可減輕約 55% 的重量，但對成本影響很大。 12V 鋰離子電池需要一套電池管理系統來控制充電，並在汽車使用壽命內保持全電池運行。

此外，還需要增加一款從高壓到 12V 的大型 DC-DC 轉換器（具有電壓和電流調節特性），才能為 12V 鋰離子電池充電並為電力負載供電。

然而，這新增的優勢有限。相反，它會新增重量、車輛總體佈置的複雜性和系統成本，並會降低車輛的整體可靠性。

相比之下，如果不使用 12V 電池，汽車重量將減輕 13kg，貨艙空間將增大 2.4%。

PEN：哪些負載將繼續依賴 12V？

RICHARD：大多數安全負載和極低功耗負載，如客艙 LED 閱讀燈和電動車窗等，將保持 12V。水泵和油泵等所有電源負荷將採用 48V 或高壓。

有很多改善乘坐舒適度的研究正在進行。隨著汽車的自動化程度越來越高，駕駛員和乘客的旅行體驗將變得更像乘坐火車，他們預計這種駕乘會非常平穩。實現這樣的平穩駕乘，需要安裝電動防傾杆或主動懸架等設備，這些設備需要大量電源。

PEN：電動汽車的主牽引電池可用來為這些負載供電嗎？

RICHARD：這使得使用牽引電機電池降壓轉換為不同的安全電壓非常有意義，牽引電機電池是車輛中最大的能源。電動汽車的牽引電機電池一般是 400V 或 800V。

解决該問題的更好方法是完全重新考慮車輛中的 PDN：取消物理 12V 電池，用電動車主電池的 12V“虛擬”電池替換。

理想的汽車架構是用一款高壓電池來為傳動系統和所有輔助負載供電，前提是它能滿足必要的瞬態回應要求。 Vicor 高密度母線轉換器模塊科技可實現這一方案，它將低壓電池（48 或 12V）直接從高壓電池虛擬化出來。

模組化電源方法結合創新的拓撲結構，支持遠遠超過 12V 鉛酸電池（75A/30µs）的電流科率—瞬態回應。使用電源模組和正弦振幅轉換器，可以處理數千安培從高壓電池到負載的電流，從而可消除所有壓降或負載失控。

PEN: 這樣做的好處是什麼？

RICHARD：主要優點是只有一個電池，可減輕重量。此外，還可簡化架構、降低整體裝配要求，這對於沉重的 12V 電池來說可能會很複雜。

這種方法還可降低汽車 OEM 廠商的保修成本。 12V 電池保修期通常為3年。在此期間，如果出現故障，換件的責任就落在汽車製造商肩上了，這可能會帶來高昂的成本。

Vicor 模組化方法允許工程師通過使用三到四個不同類型的可擴充構件塊模塊，實現大約 300 種供電組合。從小型都市汽車到大型 SUV 的各種車型，都可以使用相同的 DC-DC 轉換器從一個通用電源平臺供電。擴展只涉及添加更多電源模組。

這種設計方法不僅可節省數百個小時的工作時間，而且還可節省大量資源，使 OEM 廠商走在電氣化競爭的最前面。

PEN：使用這種方法，需要考慮的主要注意事項是什麼？

RICHARD：基於分立式 DC-DC 轉換器設計的傳統 PDN 可能由 200 多個體積龐大的組件組成，然而 Vicor 先進科技則只提供單個高密度電源模組。對於工程設計團隊來說，當一款模組需要認證，與相同功能的 200 多款獨立組件需要認證相比較時，會節省大量的時間。

PEN：實現這一點，需要什麼額外的架構或組件？

RICHARD：不需要額外的組件，因為高壓到 12V 的 DC-DC 轉換器已是電動汽車的重要組件。 Vicor 科技可帶來額外的特性，因為移除 12V 電池會產生快速瞬態回應。

此外，Vicor 還在進行組件冗餘研究，以提高功能安全性。

PEN:Vicor 為這種應用提供了什麼解決方案？

RICHARD:Vicor BCM™ 母線轉換器採用零電壓、零電流開關（ZVS/ZCS）科技，工作頻率比常規轉換器高，因此其響應速度比物理電池快。

例如，BCM6135 工作頻率為 1.2 MHz，與常規 ZVS/ZCS 諧振轉換器不同，其工作在窄帶頻率下。 BCM 的高頻率工作可針對負載電流的變化以及從輸入到輸出的低阻抗路徑提供快速回應。

固定比率轉換、雙向工作、快速瞬態回應（每秒超過 8MA）和低阻抗路徑可共同幫助 BCM 使高壓電池看起來像 48V 電池，我們將其稱為“變壓”。與常規轉換器相比，這種對電源進行變壓的功能既是重要優勢，也是重要的差异化特性。

本文最初由 Power Electronics News 發表。

在加入 Vicor 之前，Nicolas 在 IDT（瑞薩電子）擔任北美汽車業務部負責人，主要從事動力系統、資訊娛樂系統與 ADAS 系統的技術銷售。在加入 IDT 之前，他曾在安森美擔任過 4 年的現場應用工程師，領導一個內部設計及應用團隊（是一支“從概念到產品冠軍”團隊），負責安森美在密歇根州底特律的汽車銷售新產品增長戰略。他的工作經歷還包括在大陸汽車公司的 9 年工程與開發工作，在此期間，他曾在大陸汽車混合動力與電動汽車部門擔任各種工程設計職務，主要設計 DC-DC 轉換器和牽引逆變器。