汽车在安全性能、舒适性和信息娱乐系统方面的发展正在不断提升对电源的要求，这为电源系统工程师带来了挑战，满足汽车不断增长的电源需求的同时要解决重量和空间限制的问题。在过去 10 年中，典型 12V 电源需求从 1.2kW 增加到了 4kW 的连续负载，这对 12V 铅酸电池产生了复合效应，由于其 50% 放电深度 (DoD) 的限制，12V 铅酸电池的容量必须是所需电源的两倍。

到底为什么要使用 12V 铅酸电池？插电式混合动力汽车和轻度混合动力汽车不能完全淘汰 12V 电池，因为它仍是冷启动的唯一选择。然而，正确调整 12V 电池的尺寸，满足所有静态电流（常开）使用情况及冷启动要求，是一项复杂的计算。

优化 12V 电池，满足最新电源要求

大多数 OEM 厂商都在为纯电动汽车和燃油车重新设计供电架构，以满足轻度混合动力汽车 (MHEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 的要求。他们正在积极努力争取那些因纯电汽车行驶里程、充电网络及兼容性有局限而对其持保留态度的消费者。今天，插电式混合动力汽车是一个非常务实的选项，不仅无需担心里程问题，而且还有电气化牵引的优势。

电源系统设计人员不仅要考虑最坏的情况，而且还要考虑所有的极端情况，其中包括 -40 到 +50°C 的环境。在 -40°C 下启动发动机是一种最为艰难的使用情况，称之为冷启动。

电池在-40°C下的冷电流供应，术语称为“冷启动电流”或CCA。由于其化学性质，电池本来就能耐低温充放电，而且 CCA 额定值可帮助系统工程师判断其选择的电池是否能满足系统要求。在这些低温下，典型的动力锂离子电池因其化学性质表现不佳，其无法通过 DC-DC 转换器提供这种快速峰值电流 (75A/30µs) 来满足发动机的起动要求。锂离子阴极化学成份优化了封装效率并尽可能提升了纯电动汽车行驶里程，而不是冷启动。

12V 电池的另一项优势是：它可提供所需电容，以吸收来自低压母线的任何瞬态。这些瞬态通常是从电气起动发电机马达产生的。

12V 电池的另一项优势是：它可提供所需电容，以吸收来自低压母线的任何瞬态。这些瞬态通常是从电气起动发电机马达产生的。

12V 电池的封装挑战

通常情况下，启动器电池封装在副驾驶座位下，因为发动机舱内的温度不适合封装电池。然而，为插电式混合动力汽车电池寻找封装空间通常是最大限度提升电动汽车行驶里程的首要任务。此外，12V 电池不断增长的电源需求还会加剧封装难度。通常需要 H6 型电池的汽车现在需要 H8 AGM 电池（表 1），需要重新布置在后排客舱中。封装加上增加的 50mm² 的线缆布线距离（增加达三倍），将增加系统的总成本和重量。

车辆平台上的供电架构及组件封装通常旨在降低所有动力系统（燃油汽车、轻度混合动力汽车和插电式混合动力汽车）的系统复杂性，因此增加的系统成本也会从插电式混合动力汽车转移至燃油车型。

最小化 12V 电池，最大化供电网络

12V 电池的典型负载有两个主要目的：一个是启动发动机；另一个是支持待机运行或者获得“静态电流”。随着用于客户舒适的电气特性和“常开”特性越来越多，待机电流的需求以及需要常开的特性的数量已呈现指数级增长。在典型的使用案例中，大多数汽车 OEM 厂商会将待机时间设计为 50 天。这通常需要消耗 14  – 16mA 的电流，50 天的周期，就相当于电池组的总体容量为 16A·h。

信息娱乐、远程信息处理以及车辆接近解锁特性，进一步增加达了 高达 6A·h 的电池容量（因为它们不常开）。常开负载总会增加铅酸电池的循环，这导致了耗尽（低于 50% DoD 时耗尽）的铅酸电池带来的高保修费用。

另外，可使用 Vicor 固定比率母线转换器模块从牵引锂离子电池提供常开的能量，以便高效将该能量传输给常开或循环开关的负载，从而可增强控制、提高效率。此外，Vicor 在母线转换器中使用的正弦振幅转换器 (SAC™) 拓扑能够实现比 12V 铅酸电池更快的瞬态响应（表 2）。

SAC 拓扑可在无任何压降的情况下处理从高压电池到负载的数千安培的电流，而且基准测试显示：响应时间比典型 12V 电池快 3 倍（表 2）。

固定比率转换器（如 SAC）的一项重要优势是比率或 K 因数，即一次匝与二次匝的比率，它对其有效输出电容有平方效应。

SAC 拓扑对其有效输出电容有平方效应。

例如，对于 48 至 12V 转换器而言，K 因数是 1/4，也就是说有效二次电容是一次电容的 4倍 平方，即 16 倍。

用于备用电源及常规启动功能的更轻、更小的虚拟电池

Vicor 高压隔离 (BCM®)（图 2）及低压非隔离 (NBM™) 母线转换器模块，可为“虚拟电池”提供最佳解决方案。虚拟电池可在缩小尺寸、减轻重量并减少温度限制的同时，复制电池的基本属性。

如果在大多数启动情况下，备用负载由 Vicor BCM 或 NBM 供电，12V 铅酸电池的容量就可大幅降至 H4 以下（仅适用于冷启动），从而可进一步减轻系统重量。这可进一步改进副驾驶座位下方的封装选项，减少相关线束（图 3）。

更接近负载，可减少大电流电源系统带来的寄生电感与串行电阻。Vicor 提供的封装优势是：使其更接近负载。这不仅可消除输入或输出端的任何内部串联电感，而且还可轻松处理每秒 70 万安培或每毫秒 700 安培的电流，因为它们表现出了优异的瞬态响应性（图 1）。

Vicor 电源模块为优化电动汽车电源系统开辟新途径

随着越来越复杂的舒适性和连接功能与单一平台上的多个动力系统相结合，OEM 厂商在提高可靠性的同时，还将获得简化配电架构的优势。

汽车 PDN 追求更高的电源设计效率，因此 Vicor 电源模块可为工程师实现其目标提供创新的机会。插电式混合动力汽车采用电源模块 PDN 具有多种优势（表 3）。利用电源模块缩小 12V 电池，可将电源系统设计尺寸缩小 66%、重量减少 50% 以上、效率提高 15% 以上。汽车公司可为每辆汽车有效实现高达 95 欧元的成本节省。

使用模块化电源，工程师可最大限度缩小 12V 电池，实现燃油汽车、轻度混合动力汽车以及插电式混合动力汽车之间的通用电源架构并可满足更多特性需求。采用电源模块设计，不仅可降低复杂性和重量，而且还可提高可靠性和系统效率，所有这些都有助于降低系统成本、增加电动汽车行驶里程。