純電動(dòng)汽車（BEV）有嚴(yán)重的重量問題，但這種問題 Weight Watchers 無法解決。

許多純電動(dòng)汽車比內(nèi)燃機(jī)汽車（ICE）重33%。美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)主席指出：「福特 F-150 Lightning比非電動(dòng)版本重2000到3000磅。」另外，美國國家經(jīng)濟(jì)研究局（National Bureau of Economic Research）發(fā)現(xiàn)，車輛每增加 1,000 磅，事故死亡風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加約 47%。

因此，汽車 OEM 廠商在嘗試設(shè)計(jì)續(xù)航里程更長、安全性更高和電子內(nèi)容更多的純電動(dòng)汽車時(shí)，面臨嚴(yán)峻的限制條件。這是該產(chǎn)業(yè)有史以來面臨的最嚴(yán)峻研發(fā)挑戰(zhàn)之一。

儘管面臨巨大的挑戰(zhàn)，但如果電動(dòng)汽車中的傳統(tǒng)超重供電網(wǎng)路（PDN）被 48V 區(qū)域架構(gòu)取代，其中48V母線取代原有 12V 系統(tǒng)，則可減少 OEM 廠商、消費(fèi)者和立法者的這些擔(dān)憂。部署由高密度電源模組支援的區(qū)域架構(gòu)，將以3種方式減輕重量。這種新架構(gòu)將實(shí)現(xiàn)從粗線束到細(xì)線束的過渡，可將線束重量減少 85%。此外，低壓輔助電池可拆除並使用電源模組進(jìn)行虛擬化，從而可完全消除電池重量。最後，使用電源模組進(jìn)行PDN升級(jí)，可最佳化熱管理系統(tǒng)，從而將其重量減少 33%。

因此，採用分散式架構(gòu)替代傳統(tǒng)集中式架構(gòu)，可顯著減輕重量，還可提高整體電力系統(tǒng)效率。

對(duì)於純電動(dòng)汽車而言，採用 48V是期盼已久的明顯改進(jìn)

在每個(gè)設(shè)計(jì)週期，新車都會(huì)增加安全、保全和自動(dòng)駕駛等新電子產(chǎn)品。每個(gè)額外的功能都會(huì)增加功耗，使用固定標(biāo)準(zhǔn)化電池已轉(zhuǎn)化為電流的指數(shù)級(jí)成長。從電流趨勢來看（圖一），集中式架構(gòu) PDN 是不可持續(xù)的。要恢復(fù)可持續(xù)電流位準(zhǔn)並最大限度減少線束重量的同時(shí)，滿足不斷成長的電力需求，唯一的方法就是使用區(qū)域架構(gòu)將工作電壓提高至 48V。

圖一 : 轉(zhuǎn)換為 48V 系統(tǒng)，會(huì)將車輛總電流從 250A 以上降至 75A 以下，不會(huì)影響車輛電氣效能。

自 1908 年以來，隨著汽車電子設(shè)備的增加，汽車電流需求已呈指數(shù)級(jí)成長。20 世紀(jì) 60 年代，OEM 廠商將電壓從 6V 提高到 12V，導(dǎo)致電流在 60 年首次減少。儘管現(xiàn)在需要更大的電流，但大多數(shù) OEM 廠商仍然使用 12V 母線。2023 年，特斯拉成為首家宣佈在整個(gè)汽車中全面採用 48V 母線的 OEM 廠商，這將大大降低電流需求。

目前的純電動(dòng)汽車由主高壓電池（通常為 400V 或 800V）供電，不僅需要為電動(dòng)牽引馬達(dá)供電，而且還需要為大量低壓負(fù)載供電，如空調(diào)、加熱座椅和資訊娛樂系統(tǒng)等。PDN會(huì)將高壓降至48V及12V輔助電池電壓，為這些子系統(tǒng)供電。

根據(jù)歐姆定律，轉(zhuǎn)而採用48V分散式架構(gòu)將帶來一個(gè)機(jī)會(huì)：功率=電流x 電壓

功率輸出相同時(shí)，12V電源需要的電流是 48V 電源的四倍。因此，12V導(dǎo)線一般也比48V導(dǎo)線粗四倍。

圖二 : 當(dāng)今汽車有兩種不同的 PDN：12V 集中式架構(gòu)和快速發(fā)展的48V分散式架構(gòu)。前者採用12V粗線束，後者採用 48V 細(xì)線束，細(xì)線束重量更輕，減少了熱損耗，而且將電流降至 1/4。

終結(jié)12V 集中式架構(gòu)

自20世紀(jì)60年代以來，12V集中式系統(tǒng)一直是汽車使用的傳統(tǒng)電源架構(gòu)。該架構(gòu)由一個(gè)龐大的銀盒外殼組成，其中包含一系列分立式元件，例如所有將高壓（HV）轉(zhuǎn)換成48V至12V的 DC-DC轉(zhuǎn)換器等。這個(gè)系統(tǒng)需要使用粗重的導(dǎo)線將12V電流傳輸至負(fù)載點(diǎn)。此外，由於傳統(tǒng)的 DC-DC轉(zhuǎn)換效率低，這種集中式電源系統(tǒng)會(huì)從銀盒產(chǎn)生大量熱量，通常需要密集的液冷，這會(huì)增加更多的重量。

要過渡到48V，可在端點(diǎn)位置使用高密度電源模組，以便在負(fù)載點(diǎn)高效轉(zhuǎn)換為12V。這使OEM廠商能夠隨著時(shí)間的推移，高度靈活地逐漸將12V負(fù)載器件過渡到48V。這有助於在對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)干擾最小的情況下，快速實(shí)現(xiàn)使用 48V的優(yōu)勢。

48V分散式架構(gòu)降低熱損耗、減少電流

新穎的48V分散式架構(gòu)系統(tǒng)利用歐姆定律，其中DC-DC轉(zhuǎn)換發(fā)生在更靠近負(fù)載點(diǎn)的位置，而不是在中央銀盒（Silver Box）內(nèi)完成。在該方案中，高壓至48V的轉(zhuǎn)換有助於將安全的48V用作整個(gè)車輛的母線電壓。48V至12V的轉(zhuǎn)換在負(fù)載點(diǎn)位置進(jìn)行。透過 48V 而非 12V 傳輸電流，導(dǎo)線可以更細(xì)、更輕，很明顯，成本也會(huì)更低（圖二）。這種更細(xì)、更靈活的導(dǎo)線也更容易在車內(nèi)佈局。此外，這種方法可將與DC-DC轉(zhuǎn)換器有關(guān)的熱損耗均勻地分佈在整個(gè)車上，從而可使用安裝在底盤上的熱傳導(dǎo)及空氣對(duì)流散熱系統(tǒng)的潛能。

檢視減少的重量

48V分散式架構(gòu)不僅可更加支援純電動(dòng)汽車日益成長的動(dòng)力需求，同時(shí)還可採用 3 種方法減輕汽車重量。

1.線束：重量銳減約 85%

升級(jí)到48V分區(qū)架構(gòu)，意味著傳統(tǒng)的273克/公尺的12V、4號(hào)電線將被27克/公尺的48V、10 號(hào)電線取代。這可減輕大約 85% 的導(dǎo)線重量。

2.輔助蓄電池取消：重量減少~100%

圖三 : 電源模組可實(shí)現(xiàn)比 12V 鉛酸電池更快的暫態(tài)響應(yīng)，從而建立虛擬電池，可取代傳統(tǒng)的笨重 12V 電池。

電源模組的分散式架構(gòu)可加速 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的暫態(tài)響應(yīng)，從而建立虛擬電池。因此，12V/48V分散式電源模組不僅可複製 12/48V 低壓電池的特徵，同時(shí)完全消除了實(shí)體 12V 電池，減輕了100%的重量。

3.電源系統(tǒng)最佳化：重量減輕約 33%

圖四 : 使用電源模組和分散式架構(gòu)時(shí)，可縮小集中式外殼，因?yàn)樵?48V 轉(zhuǎn)換為 12V 負(fù)載的端點(diǎn)可以更有效率地散熱。

用區(qū)域系統(tǒng)取代集中式系統(tǒng)，可將48V至12V電源轉(zhuǎn)換從銀盒移至負(fù)載點(diǎn)。改進(jìn)後採用高密度電源模組提供48V輸出的電源系統(tǒng)盒將縮小達(dá)33%。因此，外殼重量可減輕多達(dá)三分之一 （33%）。

在傳統(tǒng)12V集中式系統(tǒng)中，分立式元件會(huì)在其銀盒外殼內(nèi)產(chǎn)生環(huán)境高溫。採用高密度電源模組的電源系統(tǒng)盒產(chǎn)生的熱量較少，而且負(fù)載點(diǎn)模組可在底盤上進(jìn)行高效的通風(fēng)散熱。這些改進(jìn)可使液冷系統(tǒng)瘦身 7%。

OEM廠商可使用分散式架構(gòu)獲得各種優(yōu)勢。請(qǐng)考慮減輕重量對(duì)增加行駛里程的影響。當(dāng)車輛越重，能耗就越大，行駛里程也就越短。然而如果將其用來增加電池尺寸，額外的重量就可降低對(duì)續(xù)航里程的影響。額外的電池提供更多的能量儲(chǔ)存，可增加續(xù)航里程。

在Vicor的研究之一，高密度電源模組支援的分佈架構(gòu)可將車輛重量減輕40磅。在該重量被 40 磅的電池所取代時(shí)，在不增加淨(jìng)重的情況下，電動(dòng)汽車的行駛里程每年可增加4000英里。這一點(diǎn)非常重要，根據(jù)美國聯(lián)邦公路管理局2023年的資料顯示，美國人平均每年開車的行駛里程為 14,263 英里。因此，使用48V分散式架構(gòu)可減少每年30%的充電時(shí)間，並增加車輛一次充電的行駛里程。

以創(chuàng)新消除重量疑慮

電動(dòng)汽車超重，這種趨勢既不能持續(xù)，也不利於電動(dòng)汽車的整體發(fā)展。採用傳統(tǒng)銀盒和分立式元件的 12V 集中式架構(gòu)需要升級(jí)到 48V 分散式架構(gòu)，以最佳化電動(dòng)汽車的供電網(wǎng)路和散熱管理系統(tǒng)。分散式架構(gòu)可將每年的行駛里程增加 4000 英里，也可用於實(shí)現(xiàn)額外的安全或電子功能。

最高效的區(qū)域架構(gòu)在負(fù)載點(diǎn)使用小型輕量級(jí)轉(zhuǎn)換器。高效的高功率密度模組是 48V 至 12V 轉(zhuǎn)換的最佳選擇。鑒於目前複雜的汽車電力電子產(chǎn)品，OEM廠商不僅需要?jiǎng)?chuàng)造性地減輕重量，同時(shí)還需要提高效能。此外，小巧精巧的電源模組也是 48V 區(qū)域架構(gòu)顯而易見的選擇及合理補(bǔ)充，48V 區(qū)域架構(gòu)是汽車產(chǎn)業(yè)供電網(wǎng)路的未來。

（本文作者Noa Margolin為Vicor 公司研發(fā)工程師）