【導讀】隨著包括主動懸掛、轉向、氣候控制、電動座椅和電動車窗以及高級信息娛樂系統在內的電氣系統數量的增多，對電源的需求也在日益增加，進而推動了汽車電源系統從 12 V 向 48 V 的轉變。事實證明，48 V 電源是有效提供大量電能的最佳選擇，而 12 V 系統則需要昂貴的元器件和大量的布線工作，否則就無法滿足基于 12 V 系統的嚴格的安全和性能標準。
隨著包括主動懸掛、轉向、氣候控制、電動座椅和電動車窗以及高級信息娛樂系統在內的電氣系統數量的增多，對電源的需求也在日益增加，進而推動了汽車電源系統從 12 V 向 48 V 的轉變。事實證明，48 V 電源是有效提供大量電能的最佳選擇，而 12 V 系統則需要昂貴的元器件和大量的布線工作，否則就無法滿足基于 12 V 系統的嚴格的安全和性能標準。
此外，隨著內燃機 (ICE) 車隊被電動汽車 (EV) 取代，48 V 系統的采用速度也將加快。雖然電動汽車使用 400 V，甚至是 800 V 系統來驅動車輪，但多家制造商，尤其是擁有 CyberTruck 技術的 Tesla 已經利用設計全新汽車的機會，將 48 V 作為汽車其他電氣系統的標準電壓。
功率越高，阻性損耗越低
但為什么要放棄成熟且經過驗證的 12 V 技術呢？畢竟，幾十年來 12 V 系統一直表現良好，而且仍然擁有龐大的元器件供應鏈和成熟產品。答案很簡單，因為以前的普通汽車需要為車內照明、收音機和點煙器（沒錯，那時的汽車有內置點煙器）提供電源，而電動轉向、GPS 和座椅加熱則是汽車設計師夢寐以求的功能。除了標準的 12 V 電壓外，根本不需要任何額外的電源。此外，鉛酸電池每節可提供約 2 V 的電壓，因此六節標準電池可提供所需的 12 V 電壓，并具有非常基本且廉價的穩壓功能。
但是，上一代汽車設計師的夢想今天已成為現實，所有類型的汽車，無論是傳統汽車、軟混動汽車、混合電動汽車 (HEV) 還是純電動汽車，都需要更多的電源。功率 (P)（單位：W）= 電壓 x 電流（單位：A）。這個簡單的等式告訴我們，提高電壓或電流（或者同時提高）可獲得更高的功率。但我們也知道，P = A2 x 電阻（單位：歐姆 (Ω)）。也就是說，僅僅通過增加電流來實現提高功率，會使阻性損耗成倍增加，并造成更多的熱管理方面的挑戰。
最好的辦法是提高電壓，以獲得更大的功率。例如，假設我們需要從 12 V 電源提供 75 W 的功率。這需要 75/12 = 6.25 A 的電流。但是，如果我們將電源電壓提高到 48 V，75/48 = 1.6 A 的電流就可以獲得相同的功率。電流減少 75% 意味著汽車設計師可以使用更輕的導線，從而減小重量并降低成本（圖 2）。
圖 2：通過為關鍵系統提供 48 V 電源，汽車設計師可以減少線束的重量和成本。（圖片來源：Vicor）
汽車以外的 48 V 電源
汽車并不是唯一能從 48 V 總線受益的輪式系統。例如，倉庫機器人、輪椅、叉車和自動末端運送車輛都在利用 48 V 電源（圖 3）。與汽車不同，這些車輛主要使用 48 V 電源為牽引電機供電；倉庫機器人幾乎不需要加熱座椅或信息娛樂系統。
圖 3：得益于為牽引電機提供 48 V 電源，自動末端運送車輛可以更快、更高效地到達目的地。（圖片來源：Vicor）
在這些類型的產品中，12 V 鉛酸電池正被由多個電池單元組成的 48 V 鋰離子 (Li-ion) 電池所取代。作為工程師，我們知道此類電池的標稱電壓為 48 V，但隨著放電，電壓會下降。這意味著我們需要良好的穩壓功能，以便在電池放電時保持電壓穩定。
Vicor 提供隔離式（直流 3000 VDC）穩壓式 DC-DC 轉換器線路就是此類應用的理想之選。例如，DCM2322T72S53A0T60 轉換器采用 14 V 至 72 V 輸入電壓，提供 48 V 穩壓輸出，電流高達 2.1 A，可實現 100 W 輸出功率。該轉換器采用高頻零電壓開關 (ZVS) 拓撲結構，效率高達 90.1%，可保持低溫并延長電池壽命，同時達到每立方英寸 401 瓦 (in.3) 的高功率密度。
提升功率
DCM2322T72S53A0T60 是一款高能效穩壓器，但在某些運行模式下，例如電動輪椅爬坡時，該應用可能需要 100 W 以上的功率。一種選擇是指定輸出功率更大的 48 V DC-DC 穩壓器。例如，DCM2322TA5N53A2M60 可在 48 V 電壓下從 43 V 至 154 V 電源提供最高 120 W 的功率。使用單個更高功率穩壓器的代價是，峰值能效通常會有所下降，而且熱管理變得更具挑戰性。
另外，DCM2322T72S53A0T60 可作為模塊陣列輕松部署，以提高功率輸出。多達八個單元的陣列已通過認證，功率可達 800 W。好消息是，陣列的最大功率是單個模塊最大功率的總和。陣列拓撲結構不會強制降額。更妙的是，必要時陣列中的每個模塊都可以使用不同的輸入電壓供電，而在 48 V 電壓下仍能提供高達 100 W 的功率。
在陣列模式下使用 DCM2322 模塊時，需要在設計上進行權衡：用一個去耦網絡來實現并聯運行。實際上，這意味著每個 DCM2322 只需在輸出被饋入公共總線之前安裝一個輸出電容器。即使所有模塊共用一個輸入電壓源，每個 DCM2322 也需要一個單獨的輸入濾波器。濾波器用于限制每個模塊反射的紋波電流，并協助抑制拍頻電流的產生，當允許多個動力輸入級直接相互作用時，可能會產生拍頻電流（圖 4）。
圖 4：DCM2322 DC-DC 穩壓轉換器可以陣列方式布置，提供高達 800 W 的功率；原理圖顯示了高效、安靜運行所需的輸入濾波器和去耦網絡。（圖片來源：Vicor）
結束語
將 12 V 電源轉換為 48 V 電源為倉庫機器人、電動輪椅和自動末端運送車等應用帶來了關鍵的系統優勢。此類優勢包括降低電流，從而能夠使用重量更輕、成本更低的線束。
但是，隨著這些終端產品復雜程度的提高，對電源的需求也在增加。您可以使用多個并聯的 Vicor 高功率密度穩壓式 DC-DC 電壓轉換器來相應地擴展您的電源系統。這樣，就可以讓 48 V 系統提供高達 800 W 或更高的功率。
(作者： Steven Keeping)
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