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

這些數(shù)據(jù)對(duì)所有汽車制造商來(lái)說(shuō)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(dòng)車銷量的顯著增長(zhǎng)預(yù)示著光明的未來(lái)前景。然而，消費(fèi)者對(duì)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(dòng)車型，以消除消費(fèi)者的后顧之憂。

影響第二代電動(dòng)汽車的幾個(gè)趨勢(shì)

有幾個(gè)值得關(guān)注的趨勢(shì)：

加快充電速度，減輕汽車重量。重量會(huì)直接影響電動(dòng)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(xiàng)。

遷移至 48V 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可減少對(duì)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(guò)減小電纜線規(guī)和減輕重量而受益。

從 400V 升級(jí)至 800V 電池電壓已是大勢(shì)所趨，正快速普及。這一趨勢(shì)可減輕線纜重量并縮短充電時(shí)間，但需要升級(jí)充電樁基礎(chǔ)設(shè)施以同時(shí)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(jìn)。不可否認(rèn)，純電動(dòng)汽車的所有電源來(lái)自單一高壓牽引電池，任何電源中斷不僅會(huì)帶來(lái)不便，還可能造成嚴(yán)重的安全隱患。盡管舒適性功能目前正吸引消費(fèi)者并刺激銷售，但電動(dòng)汽車平臺(tái)的長(zhǎng)期生存有賴于設(shè)計(jì)并采用合理的安全協(xié)議。因此，對(duì)所有電動(dòng)汽車而言，電源冗余至關(guān)重要。

電源冗余對(duì)提高安全性和可靠性至關(guān)重要

在電動(dòng)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(fù)載尤其需要冗余電源：

轉(zhuǎn)向、制動(dòng)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(fù)載

例如，通過(guò)串聯(lián)兩個(gè) 400V 電池組，并為每個(gè)電池配置獨(dú)立的 DC-DC（400V 至 800V）轉(zhuǎn)換器，電動(dòng)汽車電源架構(gòu)師可以實(shí)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(gè) 400V 電池組串聯(lián)起來(lái)并配備獨(dú)立的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)低電壓運(yùn)行并將負(fù)載分配到兩條或多條線路上。

出于幾個(gè)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?yàn)樵S多現(xiàn)有的公用充電樁不兼容 800V 電壓。如今，越來(lái)越多的新裝充電樁能夠同時(shí)支持 400V 和 800V 電池。其次，如果制造商已經(jīng)設(shè)計(jì)并認(rèn)證了 400V 電池組，串聯(lián)兩個(gè)電池組更加快捷簡(jiǎn)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(gè) 800V 電池。這種方法也通過(guò)兩個(gè)獨(dú)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(yùn)行，更容易實(shí)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(shí)需要考慮的缺點(diǎn)包括：

400V DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要與底盤地保持更大的間隙，因?yàn)樽钌厦娴?DC-DC 轉(zhuǎn)換器電壓達(dá) 800V。

需要確保兩個(gè) 400V 電池組之間的中心抽頭可從高壓連接器上訪問(wèn)。

如果兩個(gè)串聯(lián)的 400V 電池組之間出現(xiàn)不平衡，可能導(dǎo)致穩(wěn)壓器進(jìn)入過(guò)壓保護(hù)模式，中斷供電。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：

如果一條線路出現(xiàn)故障，另一條可以接替運(yùn)行負(fù)載。

系統(tǒng)組件的電壓額定值較低，因此成本更低。

通過(guò)串聯(lián)兩個(gè)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(diǎn)：

與使用 400V 電源相比，運(yùn)行更穩(wěn)定。

充電更簡(jiǎn)便，因?yàn)椴⒙?lián)電池組合可以直接連接整個(gè) 800V 電源。在并聯(lián)配置中，兩個(gè)電池組的電壓始終相等，因此可以簡(jiǎn)化充電過(guò)程。

缺點(diǎn)：

從設(shè)計(jì)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(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)關(guān)閉。

盡管目前使用雙 800V 電池平臺(tái)的汽車較少，但這種方法提供的冗余對(duì)車輛安全至關(guān)重要。如果沒(méi)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(dòng)汽車的電源架構(gòu)正朝著這個(gè)方向發(fā)展。可靠性和安全性是促使汽車制造商進(jìn)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(jìn)一步凸顯了市場(chǎng)對(duì) 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(gè)簡(jiǎn)單的原因而更受歡迎：該系統(tǒng)中，電源模塊可通過(guò)并聯(lián)電池輕松實(shí)現(xiàn)冗余。這樣，如果發(fā)生短路，可以通過(guò)另一套電源為負(fù)載供電，防止系統(tǒng)完全關(guān)閉。

除了容納兩個(gè)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(lái)看，安全性和可靠性帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超這些成本。

電源冗余的多種形式——哪種最佳？

實(shí)現(xiàn)電源冗余的方式有很多種（如圖 3 所示）。負(fù)載可以同時(shí)連接到兩個(gè)或多個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器，如果一個(gè)電源或轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障，另一個(gè)轉(zhuǎn)換器能夠接替運(yùn)行全部負(fù)載。為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)穩(wěn)健可靠的電源架構(gòu)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。然而，通過(guò)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(qiáng)消費(fèi)者的信心。

電源冗余可以通過(guò)多鐘形式實(shí)現(xiàn)。審視從電源到負(fù)載點(diǎn)的整個(gè)電源鏈并提問(wèn)：若此位置或電路部分發(fā)生故障，電源冗余可以通過(guò)多鐘形式實(shí)現(xiàn)。審視從電源到負(fù)載點(diǎn)的整個(gè)電源鏈并提問(wèn)：若此位置或電路部分發(fā)生故障，

會(huì)影響什么？

車輛還能否行駛？

哪些功能會(huì)失效？

電源冗余設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(diǎn)，需針對(duì)每種汽車架構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)研究。

圖 3：多種冗余架構(gòu)組合展示了電動(dòng)汽車動(dòng)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(fù)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(fù)載，就可以將電源從一個(gè)區(qū)域傳遞到另一個(gè)區(qū)域。通過(guò)穩(wěn)壓器供電，可為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，甚至可以為電池充電。

然而，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換器技術(shù)還不夠先進(jìn)，無(wú)法使 DC-DC 轉(zhuǎn)換器足夠小巧而輕便，以在純電動(dòng)汽車中并聯(lián)使用多個(gè)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(zhǎng)車輛續(xù)航里程，支持新架構(gòu)以增強(qiáng)安全性。

圖 4：這個(gè) 4kW DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用 2 個(gè) VicorBCM6135和 2 個(gè)DCM3735（位于電路板底部），將 800V 電源轉(zhuǎn)換為 12V 電源，封裝重量?jī)H 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(jī)會(huì)，以遠(yuǎn)超分立式解決方案的方式提供出色性能和可擴(kuò)展性。這些電源模塊提供高達(dá) 3 倍的功率密度，便于擴(kuò)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(shí)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(guò)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(shí)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(guò)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(jì)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(yán)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(jì)師就可以靈活地設(shè)計(jì)占用空間小、重量輕的高效電動(dòng)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(guò)縮小 12V 備用電池實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減重。

消費(fèi)者想購(gòu)買電動(dòng)車，但許多人心存疑慮，他們最擔(dān)心的問(wèn)題是續(xù)航里程和充電便利性。這些問(wèn)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(kuò)展了創(chuàng)新空間，幫助更輕松地減小尺寸，減輕重量，從而進(jìn)一步增加續(xù)航里程。

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