利用高密度电源模块，减轻电动汽车重量

电动汽车正面临重量问题。本文探讨如何通过提高转换器功率密度和灵活性来实现更长续航里程和更快充电速度。

Vicor 公司总部位于马萨诸塞州安多弗，自 1981 年以来一直致力于为通信、计算、国防和机器人等关键行业开发和制造高性能电源模块。在过去六年，随着交通运输业进入电气化时代，Vicor 开始涉足这一领域，提供小巧、功率密度高的 DC-DC 电源转换设备助力电动汽车（EV）转型。

Vicor 公司汽车营销总监 Greg Green 解释道："如果你一直关注汽车业，就会知道电动汽车存在重量问题。它们比普通汽车重 15% 到 33%，这引发了一系列问题。因此，汽车业正努力使车辆变得更轻。另一个问题是，电动汽车的普及率已经趋于平稳，这有几个原因。其中一个原因是，有意购买电动汽车的消费者普遍期望续航里程能达到约 540 公里，而目前的平均续航里程大约比这个数字少 100 公里左右，这导致人们开始重新考虑是否准备好转向电动汽车。"

然而，正如 Green 所承认的那样，降低电动汽车的重量并非易事。"减轻车辆重量有几种方法：缩小或减轻电池组的重量，消除低压电池，以及缩小DC-DC转换器的体积。自 60 年代中期以来，汽车世界一直是 12V 的天下。然而，48V 系统引起了人们的兴趣，因为从电气安全角度来看，电压必须低于 60V 才是安全的，而 48V 系统既满足这一要求，又为电压的上下浮动留出了空间。特斯拉 Cybertruck 作为首款大量采用 48V 电力系统的车型问世，引发了广泛关注，此后这一领域飞速发展。"

图 1：高性能电源模块

整体架构方法

为了应对这些挑战，Vicor 确定了其技术可以产生显著影响的几个关键领域。通过其高功率密度的转换设备，Vicor 正致力于实现电池组的小型化、消除低压电池、缩小 DC-DC 转换器的尺寸、将更小的 DC-DC 转换器集成到电池外壳中，并引入 48V 区域架构。

Green 解释道："我们使用一种称为零电压开关的功率转换流程，这种流程非常迅速。这意味着我们可以以每秒 800 万安培的速率从零功率达到满功率，从高压电池获取电力、将其转换为 48V 并输送到负载，比标准的 48V 或 12V 电池供电更快。这一点至关重要，因为没有延迟，我们可以完全消除低压电池或大幅缩小它的尺寸，从而为每辆车减轻约 10 公斤的重量。"

Vicor 关注的另一个方面是缩小 DC-DC 转换器的体积。Green 补充道："我们将 3-5 升的系统缩小到 1-1.5 升。特别是在乘用车中，空间至关重要，但即使是较大的车辆，使用更少空间也能为车辆布局设计提供更多灵活性，并带来其他效率方面的提升。为了展示这一点，我们研究了特斯拉 Model X （拥有一流的功率重量比和功率体积比）以及 Vitesco 的新一代第四代系统。我们发现，就效率、功率重量比和功率密度而言，我们的系统比这两者都要好两到三倍。我们的系统将 DC-DC 转换器的尺寸缩小到了一个工程师可以轻松想象放入电池外壳内的程度。"

本质上，Vicor 的方法使 DC-DC 转换器可以被缩小并安置在电池外壳的某个角落。这样做不仅节省了重量（因为不再需要额外的金属外壳来包裹它），还能利用电池外壳中现有的冷却系统来冷却电子设备。从安全角度来看，这种方法还减少了从电池外壳引出的高压电缆数量。

图 2：48V 区域架构

48V 区域架构

正如 Green 所解释的那样，48V 区域架构的概念最早可以追溯到 20 世纪 90 年代末，当时第一批混合动力电动汽车出现，人们将其视为提高热效率的潜在途径。然而，直到去年 10 月特斯拉推出 Cybertruck 之前，这项技术并没有得到太多发展。

Green 表示："这主要是因为大多数发电机都是 12V 或 24V 的。更换这些发电机所需的工程和测试成本相当高，因此遇到了一些阻力。但是，当你插入电动汽车或混合动力汽车的充电插头时，就自动拥有了一个高压电池。从系统的角度来看，我们更容易理解应该从高压电源引出 48V 电压。48V 电线的直径和重量大约只有 12V 电线的 10%。电压在某种程度上类似于压力：低压意味着需要更大的管道，高压则意味着可以使用更小的管道。因此，48V 是更高的电压，也就是更高的压力。你可以使用更小、更轻的电线，这些电线也比 12V 电线使用的铜少得多。此外，48V 设计在处理热损耗方面也更有效率，因为可以将 48V 电源引至车辆的多个点，并在局部将其转换为车辆各处所需的 12V 电源。这种设计为整个电动汽车带来了重量优势，并降低了冷却系统的复杂性。"

图 3：48V 设计可以更高效地处理热损耗

小设备带来巨大改进

将移除低压电池、缩小 DC-DC 转换器的体积，并在线路中引入 48V 区域架构等所有这些元素结合起来，Vicor 计算出工程师们可以为每辆车节省约 18 公斤的重量。

Green 表示："在一个通常为节省几克重量而争论不休的行业中，这一节省相当可观。但这对于车辆使用者来说究竟意味着什么呢？我们发现，如果一辆车的重量减轻 18 公斤，续航里程可以增加 1 到 2.5 公里，这看起来似乎不多。但是，如果能因为这种节省而增加 18 公斤的电池电芯，续航里程就可以提高 5%。在乘用车层面，这使我们更接近消费者希望看到的、能够促使他们转向电动汽车的理想点。同样的原理也适用于更大车辆，事实上，这一论点在商用车方面可能更有说服力，因为节省 18 公斤可能意味着可以多运载 18 公斤的货物或乘客。"

考虑到这一点，很明显，Vicor 的高功率密度 DC-DC 转换器模块有潜力为供电网络提供更大的灵活性和效率，由于体积更小且热量排放更少，这些模块可以集成到电池中。

Green 总结道："电动汽车制造商可以利用这些优势来减轻车辆重量，更接近 540 公里的理想续航里程，从而最终加速电动汽车的普及。"