隨著汽車行業(yè)向電動汽車(EV)轉(zhuǎn)型，設(shè)計工程師在開發(fā)底層電氣架構(gòu)時面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，800V 牽引電機逆變器中的大電容負載需要專用的預(yù)充電電路，以避免會損壞元器件的浪涌電流。

與此同時，電動汽車設(shè)計師不斷努力減小系統(tǒng)的尺寸、減輕重量和降低成本。他們面臨的挑戰(zhàn)是，如何設(shè)計出既穩(wěn)健可靠又能將設(shè)計工作量和成本降到最低的電氣架構(gòu)。要實現(xiàn)這一平衡，工程師需要考慮新的電源系統(tǒng)設(shè)計方法。

借助高密度電源模塊，工程師就可以設(shè)計創(chuàng)新的架構(gòu)，在與車輛預(yù)充電相關(guān)的各種因素間實現(xiàn)完美平衡。而固定比率轉(zhuǎn)換器模塊是開發(fā)最高效的預(yù)充電系統(tǒng)的關(guān)鍵。

抑制大浪涌電流

電動汽車的運行離不開四個主要組件：牽引電池、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、牽引電機逆變器和電機。在這個結(jié)構(gòu)中，電池為牽引電機逆變器提供高壓(800V)直流電源，而逆變器又提供交流電來驅(qū)動電機。

從牽引電池向牽引電機逆變器供電帶來了安全和可靠性方面的挑戰(zhàn)。牽引電機逆變器偶爾會接收大電流，因此需要集成大容量的直流支撐(DC-link)電容器以保持穩(wěn)定的直流供電。在許多車輛中，總直流支撐電容可能高達約 58,000μF，形成了巨大的電容負載。

在車輛啟動時，這些電容未充電(0V)，直接將驅(qū)動電池連接到驅(qū)動電機逆變器會導(dǎo)致很大的浪涌電流。當(dāng)電池線路的電阻為數(shù)微歐姆，電池工作電壓為 800V 時，根據(jù)歐姆定律，流經(jīng)的電流(以安培為單位)如下：I = (800V - 0V)/R。

這種大浪涌電流會給系統(tǒng)帶來安全風(fēng)險，包括導(dǎo)致接地故障、設(shè)備損壞和保險絲熔斷。此外，與直流支撐電容充電相關(guān)的高 dV/dt 可能會導(dǎo)致振鈴和元器件損壞。

圖 1：在車輛啟動時，牽引逆變器的直流支撐電容充電會導(dǎo)致很大的浪涌電流，可能會損壞設(shè)備。

正確進行預(yù)充電的最佳實踐

為了解決這些問題，電動汽車采用預(yù)充電電路，作為在車輛啟動過程中限制浪涌電流的基本手段。

大多數(shù)電動汽車通過在牽引電池和牽引電機逆變器之間使用專用接觸器和限流電阻來完成預(yù)充電(如圖 2 所示)。在預(yù)充電過程中，SW1 斷開，而 SW2 和 SW3 閉合。在這種模式下，車輛通過串聯(lián)電阻 R1 對直流支撐電容進行預(yù)充電，有效地限制了浪涌電流。當(dāng)直流支撐電容的電壓達到 800V 時，預(yù)充電完成，SW3 斷開，SW1 閉合，使車輛可以在正常條件下運行。

這種預(yù)充電方法確實有效，但遠非理想選擇。它的一個主要缺點是需要使用額外的元器件，包括一個堅固但笨重且昂貴的預(yù)充電接觸器。在空間、重量和成本至關(guān)重要的電動汽車中，這些額外的組件并不受歡迎。

另一個挑戰(zhàn)是，使用高壓母線進行預(yù)充電，容易導(dǎo)致與過熱相關(guān)的故障。例如，在短時間內(nèi)多次重復(fù)啟動和關(guān)閉車輛，會導(dǎo)致預(yù)充電電阻長時間處于電流過大的狀態(tài)。這種重復(fù)的功率消耗會導(dǎo)致電阻過熱，使系統(tǒng)面臨短路和故障風(fēng)險，而且有可能損壞高壓電路。要保護預(yù)充電電路，需要專用的安全電路，而這樣就會進一步增加系統(tǒng)的物料(BOM)、重量和成本。

圖 2：在預(yù)充電期間，專用接觸器 SW3 在電池和逆變器之間連接一個串聯(lián)電阻。預(yù)充電完成后，SW3 斷開，SW1 閉合，重新將電池連接到逆變器。

突破思維定勢

利用固定比率轉(zhuǎn)換器

Vicor 的 BCM 系列固定比率轉(zhuǎn)換器提供了一種獨特的電壓轉(zhuǎn)換形式，帶來了一種新穎、更有效的預(yù)充電方式。

固定比率轉(zhuǎn)換器是非穩(wěn)壓隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，峰值效率可達 98%。它們類似于交流變壓器，根據(jù)轉(zhuǎn)換器的匝數(shù)比或 K 因數(shù)完成固定比率降壓或升壓(如圖 3 所示)。最重要的是，它們支持雙向轉(zhuǎn)換，也就是說，同一個模塊可以根據(jù)電流流動的方向進行升壓或降壓。

圖 3：固定比率轉(zhuǎn)換器根據(jù)電流流動方向以預(yù)定的比率對直流電壓進行升壓或降壓，整個過程非常高效。

在電動汽車預(yù)充電場景下，固定比率轉(zhuǎn)換器的價值在于它們能夠以獨特的方式，利用低壓母線完成預(yù)充電。

所有電動汽車都使用兩塊電池：主牽引電池(工作電壓為 400V 或 800V)和低壓電池(工作電壓為 12V 或 48V)。在車輛關(guān)閉時，由低壓電池為低壓輔助設(shè)備(如收音機和系統(tǒng)控制)供電。當(dāng)車輛啟動后，牽引電池通過專用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器為輔助低壓設(shè)備供電(如圖 4 所示)。所有電動汽車都進行這種轉(zhuǎn)換，這通常通過開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器等單向解決方案實現(xiàn)。

圖 4：同時使用固定比率轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器，就可以在預(yù)充電期間使用低壓電池進行預(yù)充電，而在正常運行期間使用牽引電池為低壓母線供電。

使用高密度電源模塊

設(shè)計預(yù)充電方法

有了固定比率電源轉(zhuǎn)換器模塊，電源系統(tǒng)設(shè)計師就可以設(shè)計有效的預(yù)充電方法，既無需額外的元器件，又不增加成本或重量。

設(shè)計師可以使用固定比率轉(zhuǎn)換器，從低壓電池對牽引電機逆變器的直流支撐電容進行預(yù)充電，而不需要直接通過牽引電池進行預(yù)充電。在這種設(shè)計中，用于從高壓母線為低壓母線供電的標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器被固定比率轉(zhuǎn)換器(如 Vicor BCM6135)和 DC-DC 穩(wěn)壓器(如 Vicor PRM3735)所取代。重要的是，元器件總數(shù)量與原始實現(xiàn)方法相比保持不變。

在預(yù)充電過程中， SW1 和 SW2 處于斷開狀態(tài)，完全斷開與牽引電池的連接。在這種模式下，PRM3735 對來自低壓電池的 48V 電壓進行調(diào)節(jié)，然后由 BCM6135 升壓至 800V，對牽引電機的直流支撐電容進行預(yù)充電。PRM3735 的輸出電流是可控的，因此這種架構(gòu)可以在預(yù)充電過程中避免不受控制的大浪涌電流。

預(yù)充電完成后， SW1 和 SW2 隨后閉合。利用固定比率轉(zhuǎn)換器的雙向轉(zhuǎn)換功能，同一個固定比率轉(zhuǎn)換器和 DC-DC 穩(wěn)壓器現(xiàn)在可以變換極性，將來自牽引電池的 800V 降壓至 48V，為低壓母線供電。

這種方法可以帶來多方面的明顯優(yōu)勢：

1 無需增加成本或元器件即可實現(xiàn)預(yù)充電

這種架構(gòu)使電源系統(tǒng)設(shè)計師能夠在不增加部件的情況下實現(xiàn)可靠、受控制的預(yù)充電。他們可以使用傳統(tǒng)系統(tǒng)中現(xiàn)有的元器件(DC-DC 轉(zhuǎn)換器和 DC-DC 穩(wěn)壓器)，用高壓母線對低壓母線進行預(yù)充電和供電。與需要額外的接觸器、電阻和安全電路的傳統(tǒng)預(yù)充電方案相比，這種方法顯著降低了物料成本。組件數(shù)量的減少直接意味著更小的系統(tǒng)尺寸、更輕的重量和更低的成本。

2 高度可靠，風(fēng)險更低

固定比率轉(zhuǎn)換器比使用串聯(lián)電阻的傳統(tǒng)預(yù)充電方法更加可靠，而且不易出現(xiàn)過熱或故障。

3 最節(jié)能的方法

固定比率轉(zhuǎn)換器方法的效率極高。由于 DC-DC 穩(wěn)壓過程中不需要進行電壓轉(zhuǎn)換(48V 至 48V 穩(wěn)壓)，因此所有電壓轉(zhuǎn)換都在固定比率轉(zhuǎn)換器中完成。憑借高達 98% 的效率，固定比率轉(zhuǎn)換器幾乎無損耗，可以最大限度地減少整個過程中的浪費。這樣就可以增加車輛續(xù)航里程，降低熱管理需求。

電源模塊減少所需物料

降低成本并減輕重量

隨著從燃油車向電動汽車的轉(zhuǎn)型不斷推進，對更經(jīng)濟、小巧、輕便的電源系統(tǒng)的需求日益增長。要滿足這一需求，必須采用創(chuàng)新的方法，設(shè)計更有效的電動汽車供電網(wǎng)絡(luò)。

憑借高效的固定比率轉(zhuǎn)換器，Vicor 為電源系統(tǒng)設(shè)計師帶來了前所未有的設(shè)計靈活性和全新的架構(gòu)選項。利用現(xiàn)有組件進行預(yù)充電，只是展示固定比率電源轉(zhuǎn)換器模塊強大功能的一個例子。展望未來，隨著電源系統(tǒng)進一步發(fā)展并成為汽車中不可或缺的組成部分，固定比率轉(zhuǎn)換器將幫助打造更可持續(xù)、更經(jīng)濟的未來汽車。