全球范圍內(nèi)，電動汽車的銷量持續(xù)增長。2023 年 3 月，歐洲登記的插電式電動車（包括純電動汽車和插電式混合動力汽車）總數(shù)量超過 322,000 輛，同比增長 29%。此外，純電動車的銷量同比增長 44%，占歐洲汽車銷售總量的 16%。

這些數(shù)據(jù)對所有汽車制造商來說都是好消息，尤其是在經(jīng)歷 2020-2021 年新冠肺炎疫情期間汽車銷售低谷之后。整體銷量的反彈和電動車銷量的顯著增長預(yù)示著光明的未來前景。然而，消費者對充電基礎(chǔ)設(shè)施和電池續(xù)航里程仍心存疑慮。為此，制造商已開始生產(chǎn)第二代電動車型，以消除消費者的后顧之憂。

影響第二代電動汽車的幾個趨勢

有幾個值得關(guān)注的趨勢：

加快充電速度，減輕汽車重量。重量會直接影響電動車的續(xù)航里程，因此任何減輕汽車重量的措施都能增加有效載荷和最大續(xù)航里程。

淘汰傳統(tǒng)的 12VDC主電池可顯著減輕重量。目前，縮小尺寸或完全告別這種電池已成為可行的選項。

遷移至 48V 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可減少對笨重、昂貴的線束的需求。同樣，將輔助設(shè)備（如加熱座椅、座椅調(diào)節(jié)器等）遷移到 48V 架構(gòu)后，還能通過減小電纜線規(guī)和減輕重量而受益。

從 400V 升級至 800V 電池電壓已是大勢所趨，正快速普及。這一趨勢可減輕線纜重量并縮短充電時間，但需要升級充電樁基礎(chǔ)設(shè)施以同時支持兩種電壓。

盡管如此，業(yè)界仍亟需安全性和可靠性方面的其他重要改進。不可否認，純電動汽車的所有電源來自單一高壓牽引電池，任何電源中斷不僅會帶來不便，還可能造成嚴重的安全隱患。盡管舒適性功能目前正吸引消費者并刺激銷售，但電動汽車平臺的長期生存有賴于設(shè)計并采用合理的安全協(xié)議。因此，對所有電動汽車而言，電源冗余至關(guān)重要。

電源冗余對提高安全性和可靠性至關(guān)重要

在電動汽車中增加冗余電源，可確保駕駛員、乘客及其他道路使用者的安全，提高可靠性。下面所列的三種負載尤其需要冗余電源：

轉(zhuǎn)向、制動和安全傳感器系統(tǒng)

始終在線的車輛網(wǎng)絡(luò)（CAN 總線、以太網(wǎng)等）通信

在緊急情況下可以關(guān)閉的非必要負載

例如，通過串聯(lián)兩個 400V 電池組，并為每個電池配置獨立的 DC-DC（400V 至 800V）轉(zhuǎn)換器，電動汽車電源架構(gòu)師可以實現(xiàn) 800V 的牽引電池電源。這種配置（如圖 1 所示）被稱為雙 400V 串聯(lián)堆疊系統(tǒng)。

圖 1：雙 400V 串聯(lián)堆疊系統(tǒng)：堆疊架構(gòu)將兩個 400V 電池組串聯(lián)起來并配備獨立的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)低電壓運行并將負載分配到兩條或多條線路上。

出于幾個方面的原因，一些制造商目前已開始采用雙 400V 串聯(lián)堆疊系統(tǒng)。主要原因是使用 400V 充電器充電更方便，因為許多現(xiàn)有的公用充電樁不兼容 800V 電壓。如今，越來越多的新裝充電樁能夠同時支持 400V 和 800V 電池。其次，如果制造商已經(jīng)設(shè)計并認證了 400V 電池組，串聯(lián)兩個電池組更加快捷簡便。

另一種方法是雙 800V 并聯(lián)電池配置（如圖 2 所示），即并聯(lián)使用兩個 800V 電池。這種方法也通過兩個獨立的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器提供冗余。

圖 2：雙 800V 并聯(lián)電池配置：這種配置允許低電流運行，更容易實現(xiàn) N+1 冗余。

這兩種配置各有利弊。

使用雙 400V 串聯(lián)堆疊系統(tǒng)時需要考慮的缺點包括：

400V DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要與底盤地保持更大的間隙，因為最上面的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器電壓達 800V。

需要確保兩個 400V 電池組之間的中心抽頭可從高壓連接器上訪問。

如果兩個串聯(lián)的 400V 電池組之間出現(xiàn)不平衡，可能導致穩(wěn)壓器進入過壓保護模式，中斷供電。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點包括：

如果一條線路出現(xiàn)故障，另一條可以接替運行負載。

系統(tǒng)組件的電壓額定值較低，因此成本更低。

通過串聯(lián)兩個輸出，更容易生成 24V 輸出。

同樣，雙 800V 并聯(lián)電池配置也是有利有弊。

優(yōu)點：

與使用 400V 電源相比，運行更穩(wěn)定。

充電更簡便，因為并聯(lián)電池組合可以直接連接整個 800V 電源。在并聯(lián)配置中，兩個電池組的電壓始終相等，因此可以簡化充電過程。

缺點：

從設(shè)計角度看，組件與底盤之間需留出更大的間隙以確保高壓安全性。

800V 電路短路將導致整個系統(tǒng)關(guān)閉。

盡管目前使用雙 800V 電池平臺的汽車較少，但這種方法提供的冗余對車輛安全至關(guān)重要。如果沒有冗余，最重要的汽車系統(tǒng)一旦短路就可能引發(fā)災(zāi)難性事件。電動汽車的電源架構(gòu)正朝著這個方向發(fā)展?？煽啃院桶踩允谴偈蛊囍圃焐踢M行遷移的最重要原因，而新型充電器可兼容 400V 和 800V 兩種電壓，進一步凸顯了市場對 800V 的需求。

不同因素可能促使人們選擇某種方法而非另一種，但在大多數(shù)情況下，雙 800V 電池配置因一個簡單的原因而更受歡迎：該系統(tǒng)中，電源模塊可通過并聯(lián)電池輕松實現(xiàn)冗余。這樣，如果發(fā)生短路，可以通過另一套電源為負載供電，防止系統(tǒng)完全關(guān)閉。

除了容納兩個電池組所需的物理空間外，還需考慮重量和續(xù)航里程。雖然電池管理系統(tǒng)需要一些額外的電路，但從整體來看，安全性和可靠性帶來的優(yōu)勢遠超這些成本。

電源冗余的多種形式——哪種最佳？

實現(xiàn)電源冗余的方式有很多種（如圖 3 所示）。負載可以同時連接到兩個或多個 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，如果一個電源或轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障，另一個轉(zhuǎn)換器能夠接替運行全部負載。為電動汽車設(shè)計穩(wěn)健可靠的電源架構(gòu)是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。然而，通過引入電源冗余，汽車制造商就可以提升車輛的安全性和可靠性，更重要的是可以增強消費者的信心。

電源冗余可以通過多鐘形式實現(xiàn)。審視從電源到負載點的整個電源鏈并提問：若此位置或電路部分發(fā)生故障，電源冗余可以通過多鐘形式實現(xiàn)。審視從電源到負載點的整個電源鏈并提問：若此位置或電路部分發(fā)生故障，

會影響什么？

車輛還能否行駛？

哪些功能會失效？

電源冗余設(shè)計的目標是確保車輛能夠繼續(xù)行駛或安全地駛離高速公路匝道。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的冗余形式多樣（如圖 3 所示），例如 N+0、N+1、2N+1 等。每種配置在尺寸、成本和復(fù)雜性方面各有優(yōu)缺點，需針對每種汽車架構(gòu)進行仔細研究。

圖 3：多種冗余架構(gòu)組合展示了電動汽車動力系統(tǒng)中的功率水平和功率分配。N+1 方案具有更出色的功率能力，因此可能是更大、更昂貴的解決方案。從左到右，冗余度逐漸提高，電源供應(yīng)更貼近負載需求，但組件數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜性也隨之增加。

使用雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器并分離車輛負載，就可以將電源從一個區(qū)域傳遞到另一個區(qū)域。通過穩(wěn)壓器供電，可為負載提供穩(wěn)定的電源，甚至可以為電池充電。

然而，當前的轉(zhuǎn)換器技術(shù)還不夠先進，無法使 DC-DC 轉(zhuǎn)換器足夠小巧而輕便，以在純電動汽車中并聯(lián)使用多個轉(zhuǎn)換器。

Vicor 的BCM 和 DCM 電源模塊可以輕松并聯(lián)。它們外形小巧，可以減少 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的整體占用空間，而高效率和高密度有助于提升性能（如圖 4 所示）。這樣就可以延長車輛續(xù)航里程，支持新架構(gòu)以增強安全性。

圖 4：這個 4kW DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用 2 個 VicorBCM6135和 2 個DCM3735（位于電路板底部），將 800V 電源轉(zhuǎn)換為 12V 電源，封裝重量僅 0.08 千克，體積僅 0.8575 升。此配置可分為 2 套 2kW 的冗余電源，或與另一單元并聯(lián)，打造 4kW 的冗余電源。

高密度電源模塊開啟了一系列創(chuàng)新機會，以遠超分立式解決方案的方式提供出色性能和可擴展性。這些電源模塊提供高達 3 倍的功率密度，便于擴展，并提供更高的瞬態(tài)速度，因此可以幫助縮小或徹底淘汰 12V/48V 輔助電池。BCM（如圖 5 所示）能夠降低高壓側(cè)電壓并增加電流，同時在高功率密度、高效的轉(zhuǎn)換器中提供隔離功能。

圖 5：BCM 母線轉(zhuǎn)換器。BCM 是高密度、高效率、固定比率（非穩(wěn)壓）隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊。該系列涵蓋從 800V 或 400V 至 48V 的輸入，支持多種 K 因子，適用于廣泛的應(yīng)用。BCM 可在從高壓電池電壓轉(zhuǎn)換到低壓網(wǎng)絡(luò)電壓的過程中提供最高的功率密度。BCM 產(chǎn)品系列采用 Vicor 的正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）技術(shù)，在小型化模塊中實現(xiàn)高效率和高性能。Vicor 開發(fā)可用于 400V 或 800V 電池的 BCM，而且可通過陣列的形式使用，滿足多種電源需求。

BCM 是一種比例式器件，其輸出電壓與輸入電壓成比例，根據(jù) K 因子計算得出。例如，若電源為 800V 并聯(lián)配置，K 因子為 1/16，則低壓側(cè)電壓為高壓側(cè)電壓除以 16，而輸出電流則為高壓側(cè)電流乘以 16。雙 400V 串聯(lián)堆疊系統(tǒng)使用類似的 BCM，但 K 因子為 1/8。

圖 6：DCM3735 是非隔離式穩(wěn)壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，輸入范圍為 35-58V。它提供恒定的電流以便為電池充電，采用緊湊的封裝（36.6 x 35.4 x 7.4 毫米），能以陣列方式使用。

DCM3735 穩(wěn)壓器從 BCM 獲取電壓并提供嚴格穩(wěn)壓的輸出，可以為電容器或電池充電（如圖 6 所示）。結(jié)合使用BCM 和 DCM，設(shè)計師就可以靈活地設(shè)計占用空間小、重量輕的高效電動汽車冗余電源網(wǎng)絡(luò)。Vicor 技術(shù)可在不到 0.9 升的空間內(nèi)提供 4kW 的 800V 至 12V 電源。如圖 4 所示，該系統(tǒng)重量不到 1 千克，而且可以通過縮小 12V 備用電池實現(xiàn)進一步減重。

消費者想購買電動車，但許多人心存疑慮，他們最擔心的問題是續(xù)航里程和充電便利性。這些問題不易解決，但電源架構(gòu)和功率密度領(lǐng)域的創(chuàng)新成果正在改變這一局面。緊湊的電源架構(gòu)可以減輕重量，增加續(xù)航里程。此外，電源模塊的引入擴展了創(chuàng)新空間，幫助更輕松地減小尺寸，減輕重量，從而進一步增加續(xù)航里程。

電源模塊對于解決續(xù)航里程、可靠性和安全性等問題至關(guān)重要。出色的可擴展性和小巧的尺寸為設(shè)計電源系統(tǒng)帶來了巨大的靈活性。與創(chuàng)新的電源架構(gòu)結(jié)合使用時，電源模塊已成為加速當今純電動汽車長期普及的催化劑。