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汽车电气化竞争道路上,如何取胜?

发布时间:2021-10-19 阅读数: 480

多年来,汽车制造商一直面临着更大功率需求的挑战。在早期,汽车使用6V电池供电,直到20世纪50年代中期,汽车系统演变为12V电源,以满足更大功率的永久需求。汽车制造商不仅需要为车窗、转向系统和座椅预测新的供电需求,还需要为新型高压发动机提供更多的电源。

最近,在CO2排放合规性的刺激下,OEM制造商不得不重新考虑如何再次为汽车供电。虽然OEM制造商正在推出电动汽车以满足这些标准,但没有统一的方法为电机和车辆的所有子系统供电。

供电需求的急剧增加使得这一不足更加明显。内燃机汽车的功率通常在600W到3kW之间。新型电气化电动汽车、混合动力汽车和插电式混合动力汽车(xev)都需要3kW到60kW以上的功率,比原功率高5~20倍。

5~20倍的增加会给车辆供电网络(PDN)的尺寸、重量和复杂性带来很大的压力。这些需求会对能源效率、可靠性甚至舒适性和安全性产生负面影响,因为尺寸和重量的增加会导致车辆特性的妥协。如果汽车制造商继续采用传统的供电方式,就没有足够的空间来满足所有的电气需求。为了应对这一挑战,他们需要找到一个轻便紧凑的解决方案,不仅可以缓解电源体积的显著增长,而且具有灵活性,可以在整个产品线中重复使用。

除了主要的技术挑战,OEM制造商也在增加自己的压力,并承诺在未来10年内实现产品的全面电气化,尽管如何实现这一目标的具体细节仍然是一个悬而未决的问题。在整个电动汽车市场上,实现电气化标准化还没有明确的途径。因此,尽管OEM制造商可能有相同的目标,但他们设计的PDN将大不相同。

为电气化化发展势头的马力。

多年来,电动汽车产量不到全球汽车总产量的1%。瑞士信贷全球汽车研究中心团队数据显示,这一比例将从2020年的11%飙升至2030年的62%,全球汽车销量将达到6300万辆。近一半(2900万)有望全面实现电气化。

推动电动汽车爆炸式增长的因素是什么?虽然排放标准和政府激励措施启动了这一过程,但正是消费者的欲望带来了巨大的需求,使得OEM制造商将电动汽车从细分市场推向主流市场。这些OEM制造商现在做出了大胆的承诺。

OEM制造商现在正在为一些最受欢迎和最受欢迎的汽车实现电气化。通用悍马、福特新Mache(电动野马)和旗舰F150轻型卡车(闪电)正在电气化。由于其令人兴奋的性能提升和时尚的设计,这些车型正在吸引公众的目光。

这些新车具有更好的快速充电技术和更低的维护成本,是刺激消费动汽车利用率的催化剂。消费者看到了价值,所以增长势头越来越大。

高风险、高性能电气化挑战。

汽车平台的数量、消费者选择、不同的动力系统架构、电池和充电配置的选择都增加了汽车电气化的复杂性,必须由动力系统设计师解决。

为了优化汽车电气化,OEM制造商需要提高功率水平,减少供电网络的尺寸和重量,提供更好的热管理和可重复使用性。传统的电源系统设计方法必须从复杂的定制分立式设计转变为更小、更灵活、更易于使用、更高密度的模块化解决方案。

加快电气化步伐。

OEM制造商必须重新考虑其供电架构方案,以实现积极的电气化目标。加速和优化电气化除了找到高效的解决方案外,还必须满足三个要求。

功率密度:无论是设计快速跑车、轻型卡车还是家用汽车,OEM制造商都需要在有限的空间内提供尽可能多的电源。汽车需要紧凑高效的电源解决方案。

灵活性/可扩展性:许多车辆使用相同的平台。因此,在修改和共享同一平台的汽车、小型卡车和SUV的电源时,便捷的电源扩展非常重要。

可重复使用:为了实现整车电气化,OEM制造商需要能够在不同车型之间重复使用电源设计,以加快上市过程。

功率密度。

各种xev平台上使用的电源电子产品的尺寸和重量直接关系到车辆性能、能源效率和电池续航里程。OEM制造商更快,OEM制造商正在积极减少其电源电子产品的尺寸和重量,并鼓励研发团队减轻车辆重量。例如,Vicor一个效率为98%的小型母线转换器模块(BCM6135)重量仅为68克,可轻松与EMI滤波、较小的散热结构和外壳结合,取代25公斤的48V电池。在61×35×7mm的小型封装中,高密度电源模块将400~800V主电池转换为48V,可提供2kW以上的功率,功率密度超过4.3kW/in3。

灵活性/可扩展性。

OEM制造商的设计人员尽可能标准化集成在车内的子系统,以节省时间、资金和资源。然而,随着汽车内饰的不同等级,每个子系统都需要不同的设计。由于汽车电气化的发展,供电系统设计团队面临着供电需求不断变化的挑战。

例如,一辆货车的电源要求可能是5kW,但一辆配备短排灯、拖车、犁和交流发电机的轻型卡车可能需要10kW。利用相同的平台和一点额外的空间,工程师可以在阵列中快速添加或移除预审合格的部件,以增加或降低功率。

此外,模块化设计还可以通过48V母线实现分布式电源架构,提供更高的灵活性。电源模块可以布置在方便的位置进行局部48V/12V转换,可以靠近储物箱后面的后备箱,也可以靠近每个轮子。部署模块化解决方案不仅可以提供设计灵活性,还可以优化电源变化和制造过程。

可重复使用。

在汽车开发过程中,最常见的延迟之一是批准汽车使用的电子部件。有时这个过程可能需要两到三年才能通过,以获得单个组件的批准程序。R&D团队通常会想办法重复使用现有组件,以节省开发和审批时间和宝贵资源。

例如,基于分立式DC-DC转换器设计的传统PDN可能由200多个大型组件组成,但Vicor的先进技术只提供单个高密度电源模块。对于工程设计团队来说,为了实现相同的功能,与200多个独立组件相比,节省时间非常显著。

此外,模块化方法还允许工程师使用三到四种不同类型的可扩展构件模块,实现约300种供电组合。这种设计方法可以节省数百个小时的时间和资源,帮助OEM制造商在电气化竞争中处于领先地位。


OEM制造商面临着巨大的挑战,不仅要跨越电气化终点线,还要完成XEV系列的设计,带来长期效益。模块化电源系统的设计方法可以在这种重要的市场份额竞争中提供竞争优势。现在需要以全新的结构和拓扑的形式进行创新,既能提供当前最高的性能,又能在未来重复使用和配置。

传统的电源设计不能满足这种程度的灵活性和易用性。对于OEM制造商来说,为了实现积极的电气化目标,最好采用模块化方法,不仅可以在多个重要层面提供最高性能,还可以帮助他们满足最复杂的xev电源需求。


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