12V铅酸电池即将退出市场？

作者：Vicor欧洲汽车业务开发总监Nicolas Richard

没错，汽车12V铅酸电池即将退出市场。欧洲已颁布法令，2030年之后，所有新车均不再使用铅酸电池，这给OEM厂商寻找替代解决方案带来了极大的挑战。虽然这似乎是一项艰巨的任务，但它也可带来巨大的机遇，不仅可消除对环境有害的电池，同时还可减轻车辆重量并提高整体效率。

12V电池及供电网络(PDN)是全球标准，支持数百种负载，包括一些与安全密切相关的负载，因此，解决方案既要有创新性，而且还必须坚固。用来连接高压、48V和12VPDN的高密度、大功率、高效电源模块，可针对这一即将出现的挑战提供具有最高灵活性及可扩展性的解决方案。

在考虑潜在解决方案时，OEM厂商必须考虑几个重要因素：增加功率来支持性能更好的新特性，提高效率以延长行驶里程并优化热管理，减少二氧化碳，优化电缆布线，减轻线束重量，以及满足EMI要求。这些都是这个复杂方程式中的一些变量。

为该方程式求解有两个主要选项。将12V铅酸电池替换为12V锂离子电池是一个选项。虽然它确实可略微减轻重量，但也会保留12VPDN几十年的传统，不会产生其它优势。另一个选项是支持电动汽车和混合动力汽车/插电式混合动力汽车中由400V或800V主电池供电的12VPDN。后一种选项优势众多，但这两种选项都值得进一步探索。

采用12V锂离子电池

简单地将12V铅酸电池替换为12V锂离子电池，的确可节省约55%的重量，但对成本影响很高。12V锂离子电池需要一个电池管理系统（BMS）来控制充电并在汽车的整个生命周期内保持电池的全面工作。特斯拉和现代的发展方向就是这样的。

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。但这不会增加任何优势。它所增加的只是重量、车辆总体布置的复杂性和系统成本，而且还会降低车辆的整体可靠性。相比之下，消除12V电池，不仅可将汽车重量减少13kg，还可将货舱空间增大2.4%。

传统的12VPDN效率低

维护一款12V的物理电池，就意味着维护一个具有不必要冗余的低效率PDN。在典型的汽车12VPDN中，所有连接12V母线的12V负载都有内部前置稳压器，可将宽输入电压范围（通常从6V到16V）转换为5V、3.3V或更低电压。从全球系统角度来看，无论是电动汽车、混合动力汽车，还是插电式混合动力汽车，都有串联稳压器冗余。一款从高压到12V的DC-DC转换器可为12V母线（效率高）稳压，而前置稳压器则可为每个负载提供合适的内部电压（图1）。

这种传统架构起源于汽车配备交流发电机的时代，交流发电机是一种敏感的12VPDN，需要稳压才能为电池充电，在启动事件中保持无线电工作，或让车的白炽大灯保持适当亮度。OEM厂商非常有创意地绕过了12V电源限制，近年来设计了两款12V电池，一款用于动力转向的24V电池以及其间的几款DC-DC转换器。

图1：xEV使用的典型E/E，采用使用冗余稳压器的12V电池。高压至12V的DC-DC可为12V输出稳压，为12V电池充电。车辆中的每个12V负载都有一个前置稳压器，以提供负载工作所需的适当电压。图1：这两个机器人平台的规模大不相同，但它们的供电网络却有很多共同之处。模块化方法有助于高度灵活地完成初始设计，通常能加速交付后续电源系统设计。

用虚拟电池替代12V电池

解决该问题的更好方法是完全重新考虑汽车PDN：取消12V的物理电池，用电动汽车主电池中的12V“虚拟”电池替代（图2）。每辆电动汽车都有一个主电池，因此搭载额外的储能设备无意义。理想的车辆架构是使用一款高压电池为动力系统及所有辅助负载供电。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（400或800V）虚拟化出来。

图2：优化的E/E架构可取消12V的物理电池。使用Vicor BCM母线转换器技术转化高压电池，可创建虚拟12V电池。

Vicor BCM母线转换器采用零电压、零电流开关（ZVS/ZCS）技术，其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与常规ZVS/ZCS谐振转换器不同，工作频率为1.2MHz，该BCM在窄带频率下工作（图3）。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）和低阻抗路径相结合，可帮助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。

图3：BCM6135的快速负载瞬态响应是支持12V负载的关键。瞬态响应为每秒800万安培(8MA/s)。黄色：输入电压(800VDC)，红色：输出电压(48V)，蓝色：输出电流。

图4：BCM母线转换器的功能框图。虽然BCM可进行DC-DC转换，但它还可使用变压器进行高效的AC-AC转换，不仅可按K因数缩放大小，而且还可使用开关模块在AC与DC之间进行转换。开关在高频率下完成，而且由于具有和变压器一样的能量传输特性，因此转换不仅能对瞬态负载变化做出快速响应，而且还可在输入和输出之间提供一个低阻抗路径。

Vicor BCM可用作固定比率转换器，其中输出电压是输入电压的一个固定比值。Vicor BCM6135转换器为隔离式，采用61x35x7毫米封装提供2.5kW的电源，峰值效率超过97%。它可轻松并联在阵列中，提供更大功率。

该BCM的固定比率属性可确保虚拟电池保持在其适当的工作范围内。例如，在800V电池供电的电动汽车中，可确保高压电池在520至920V之间。比率为1/16的BCM6135可为48V电池实现虚拟化，确保电压范围在32.5和57.5V之间。BCM61351/8的比率可用于400V电动汽车（图3）。

电池虚拟化还可使用1/4固定比率转换器扩展至12V母线。这种情况不需要电流隔离，可以使用Vicor NBM母线转换器。与BCM的其它特性相同，NBM非隔离母线转换器具有上述所有优势：快速瞬态响应、低阻抗和双向工作。12V母线上的电压范围保持在8.125V与14.375V之间，与高压电池电压的比率是固定的。BCM和NBM技术是连接汽车各供电网络的理想变压器。

表1：采用Vicor BCM/NBM母线转换器技术的48V母线和12V母线上的最小电压和最大电压。48V和12V电压范围均符合VDA320和LV124标准。

图5：基于BCM6135和NBM2317模块的12V及48V电池虚拟化E/E架构。48V母线还可作为一个更高效电源，为车辆中的更高负载供电，如空调冷凝器、水泵和主动底盘稳定系统等。

确保功能安全负载的供电冗余至关重要。Vicor电源模块在电源与传输方面完全可扩展，因此可将其设计成冗余PDN，从而可通过两条专用电源转换路径实现为功能安全至关重要的负载供电。最终，OEM厂商可实施本地化能量存储，确保ADAS、转向和刹车等重要系统的功能安全运行。

电动汽车供电网络将何去何从

12V铅酸电池将很快退出欧洲市场。鉴于所有的创新都推动了电动汽车供电网络重新设计，这个时机非常合适。

汽车电气PDN正处于12V供电的十字路口。试图保持最少的架构变化的同时，越来越多的严格电源负载应用于车辆。特斯拉首席执行官Elon Musk表示：“我们为什么还要用12V电压？12V只是残留的电压，的确太低了。”

OEM厂商正在争先恐后地设计更好的PDN，为电动汽车提供更大的里程和更高的性能。完全取消12V电池明显是一个长期解决方案，不仅可减少重量和空间，而且还能提供更好的瞬态响应及系统性能。Vicor技术不仅可实现这些优势，而且还可提供无与伦比的灵活性、可扩展性和功率密度。Vicor的PDN模块方案为解决新一代xEV的12V供电网络的近期挑战提供理想的构建模块。

Vicor欧洲汽车业务开发总监Nicolas Richard

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。