達功率密度/靈活性/重複使用性三高　模組化電力系統力挺電氣化

多年來，汽車製造商不斷面臨對更大功率需求的挑戰。在早期，汽車使用6V電池供電，直到1950年代中期，汽車系統演變為12V電源，以滿足對更大功率不斷成長的需求。汽車製造商不僅需要為車窗、轉向系統和座椅預測新的供電需求，而且更多電源對於新型高壓引擎而言也至關重要。

最近，在CO2排放標準的需求下，OEM廠商不得不重新考慮如何為汽車供電。雖然OEM廠商正在推出電動車，以達到這些標準，但目前還沒有一致公認最佳的方法，來為電機以及車輛的所有子系統供電。

電源需求的急劇增加使得相關問題更加明顯。內燃機汽車的電源功率通常在600W到3kW之間。全新電氣化電動車、混合動力汽車和插電式混合動力汽車(PHEV)都需要3kW到60kW以上的功率，比原有功率高5~20倍。

5~20倍的提升會為車輛供電網路(PDN)的尺寸、重量及複雜性帶來巨大壓力。這些需求將會給能源效率、可靠性甚至舒適性和安全性帶來負面影響，因為增加的尺寸和重量會導致車輛特性方面必須做出妥協。如果汽車製造商繼續採用傳統供電方式，根本就沒有足夠的空間來滿足所有電氣需求。要因應這一挑戰，他們需要找到一種輕便緊湊的解決方案，不僅可緩解電源體積的明顯成長，而且具有靈活性，可在整個產品線中重複使用。

除了主要技術挑戰外，OEM廠商壓力也不斷增加，紛紛承諾在未來10年內實現產品全面電氣化(圖1)，儘管如何實現這一目標的具體細節仍是一個懸而未決的問題。在整個電動車市場上，為電氣化實現標準化還沒有明確的途徑。因此，雖然OEM廠商可能目標一致，但他們設計的PDN將會大相逕庭。

為電氣化發展趨勢加足馬力

多年來，電動車的產量不足全球汽車總產量的1%。瑞士信貸全球汽車研究中心團隊資料顯示，這一比例將從2020年的11%飆升至2030年的62%，全球汽車銷量將達到6,300萬輛。其中近一半(2,900萬)有望全面實現電氣化。

什麼是電動車爆炸式成長的推動因素？雖然排放達標和政府激勵措施啟動了此一進程，但正是消費者的欲望則帶來了此一巨大需求，使得OEM廠商將電動車從利基市場推向主流市場。這些OEM廠商現在做出了大膽的承諾(圖2)。

OEM廠商現在正在為一些較普及、較受青睞的汽車實現電氣化。通用悍馬、福特新款MachE(電動野馬)和現在的旗艦車型F150輕型卡車(閃電)正在實現電氣化。這些車型正吸引著大眾的目光，因為它們具有令人振奮的效能提升和時尚的設計。

這些新型汽車具有更良好的快速充電技術和更低的維護及維修成本，是刺激消費需求，增加電動車使用率的催化劑。消費者看到了價值，因此成長趨勢越來越大。

高投資/高效能電氣化挑戰

汽車平台的種類數量、消費者選項、不同的動力系統架構以及電池及充電配置的選擇，都增加了汽車電氣化的複雜性，動力系統設計人員必須一一解決。為了最佳化汽車電氣化，OEM廠商需要提升各個功率水準，縮減供電網路尺寸和重量，並提供更好的熱管理及可重複使用性。設計電源系統的傳統方法必須從複雜的客製化分立式設計過渡到更小、更靈活、更易於使用、更高密度的模組化解決方案。加快電氣化步伐為了實現積極的電氣化目標，OEM廠商必須重新考慮其供電架構方案。除了找到高效解決方案外，加速和最佳化電氣化還必須滿足三大要求。

・功率密度：

無論是設計一輛速度很快的跑車、一輛輕型卡車還是一輛家用汽車，OEM廠商都需要在有限的空間內提供盡可能更多的電源。汽車需要高效小型化的電源解決方案。

・靈活性/可擴充性：

各車系有許多車輛使用同一個平台，因此當修改共用同一個平台的轎車、小型貨車和SUV等車型的電源時，便捷的電源擴充非常重要。

・可重複使用性：

為了實現全車系電氣化，OEM廠商需要能夠在不同車型之間重複使用電源設計，以加速上市進程。

功率密度各種xEV平台上使用的電源電子產品的尺寸和重量與車輛效能、能源效率以及電池續航里程有直接的關聯。為了跑得更遠更快，OEM廠商正在積極縮減其電源電子產品的尺寸和重量，並鼓勵研發團隊降低車輛重量。有相關業者如Vicor便推出效率為98%的小型母線轉換器模組，重量僅為68克，可與EMI濾波、更小的散熱結構和外殼結合，取代25公斤的48V電池。這不僅可釋放大量的空間和載荷重量，而且還可節省研發成本。高密度電源模組在小型封裝中將400~800V的主電池轉換至48V，可提供2kW以上的功率，功率密度超過4.3kW/in3。

靈活性/可擴充性

OEM廠商設計人員盡可能將整合在車內的子系統實現標準化，以節省時間、資金和資源。然而，隨汽車內裝配備的不同需要不同的設計，每個子系統都會略有不同。由於汽車電氣化的發展，電源系統設計團隊面臨供電要求不斷變化的挑戰。Vicor提供的靈活、可擴充模組化電源系統設計方法允許設計人員在各種動力系統(如SUV、廂型貨車或輕型卡車)上實施標準化解決方案。

例如，一輛廂型貨車的電源要求可能是5kW，但為一輛配備短排燈、拖具與犁具以及交流發電機的輕型卡車供電可能需要10kW。若使用相同的平台和一點額外的空間，工程師可快速在序列中新增或移除預審合格的零件，以靈活調整功率大小。

此外，模組化的設計還可透過48V母線實現分散式電源架構，提供更高的靈活性。電源模組可設置在方便就近的位置進行局部48V/12V轉換，可以在置物箱後面，靠近後行李箱，或在每個輪子旁邊。部署模組化解決方案，不僅可以提供設計靈活性，而且提供了一種更好的方式來最佳化電源變化和製造流程。

可重複使用性

在汽車開發過程中，一種最常見的延遲是汽車所用電子元件的審核。有時此一過程可能需要長達兩到三年，才能為單一元件獲得生產元件核准程序。研發團隊通常會想辦法重複使用既有元件，以節省開發及審核時間，節省寶貴的資源。

例如，基於分立式DC-DC轉換器設計的傳統PDN可能由200多個體積龐大的元件組成，然而Vicor的技術則只提供單一高密度電源模組。對於工程設計團隊來說，為了實現相同的功能，認證一個模組與認證200多款獨立元件相比，省下的時間較為顯著。

此外，Vicor模組化方法還允許工程師透過使用三到四個不同類型的可擴充構件模組，實現超過300種供電組合。這種設計方法總共可節省數百個小時的開發時間和資源，能夠幫助OEM廠商在電氣化競爭中處於優勢地位。

OEM廠商正面臨巨大的挑戰，不僅要跨越電氣化的終點線，而且還要完成xEV系列的設計，帶來長期效益。若採用模組化電源系統設計方法，便可在這個重要的市場占有率競爭中提供競爭優勢。現在需要以全新架構和拓撲的形式進行創新，其不僅可提供較現階段高的效能，而且以後還可重複使用、重新配置。

傳統的電源設計無法滿足這種程度的靈活性和易用性。對於OEM廠商來說，要實現積極的電氣化目標，最好採用模組化方法，不僅可在多個重要層面提供最高效能，而且還可幫助他們滿足最複雜的xEV電源需求。

(本文作者為Vicor APAC汽車業務總監)