12V铅酸电池即将退出市场？

Nicolas Richard

Vicor欧洲汽车业务开发总监

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12V PDN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12V PDN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12V PDN。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12V PDN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12V PDN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12V PDN，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。