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[導讀]近期,TI邀請21ic中國電子網共同討論在48V輕混市場的發展。

電動汽車(EV)是近年來半導體行業必談的課題之一,在汽車電氣化上全世界都在聚焦“減少温室氣體排放”這個問題上。據美國國家公路交通安全管理局統計,平均燃油經濟性到2026年達40.4英里/每加侖燃油;而在巴黎聯合國氣候變化大會上(COP21)提出了2030年温室氣體排放量比1990年減少40%的目標。

在此背景之下,汽車四方集運查詢電話有兩條路。其一,採用電池汽車電機化的做法,使用高壓電池進行電動車製造;其二,採用輕混電動車(MHEVMild Hybrid Electronic Vehicle),MHEV僅需使用48V電機,就能將內燃機的温室氣體排放量減少13%-22%

隨着市場加速,MHEV具有多重優勢,已在大多品牌中實現,並具有一定市場。“我們認為48V輕混市場有很大的潛力,而且這個應用對於減少温室氣體的排放是有很大的幫助,所以我們絕對認為48V輕混市場是有很大的增長空間的”,德州儀器 (TI) 電機驅動器業務部門總經理Kannan Soundarapandian如是説。近期,TI也邀請21ic中國電子網共同討論在這一市場的發展。

MHEV48V電機驅動有很大要求

MHEV在越來越嚴格的排放標準和越來越高的油耗動力需求下應運而生,博世、法雷奧、德爾福等四方集運查詢電話均已有48V輕混汽車面世,並取得不錯成績。

MHEV與傳統電動汽車驅動系統最大的區別便是從12V的使用電壓變為48V,在電池電壓輸出升高的情況下整體的線路損耗被降低,啓停電機、空調壓縮機、冷卻水泵等系統的工作時間被改善。除此之外,48V的電壓使得鋰電池實現快速能量回收,回收能量將被用於輔助驅動,降低發動機負載,整體的油耗和排放均會有效降低。

雖然MHEV擁有如此強大的“魔力”,但實際上對於設計人員來説,想要在MHEV電機驅動系統中實現汽車電氣化並非隨意之事。根據Kannan的介紹,想要實現MHEV的汽車電氣化,對電機驅動系統擁有4個要求:

1、小尺寸:在整車功能愈發增長的背景下,電路板的空間是有限的,小尺寸能夠讓更多器件集合在電路板上,這樣才能更好滿足電機驅動的要求。

2、安全性:車規級產品普遍相對普通產品擁有更高的要求,需要在設計中遵循汽車安全完整性等級ASIL D的系統級功能安全性。

3、大功率:大功率器件能夠在有限空間中驅動更高功率器件,幫助更好實現電氣化。

4、耐受性:由於汽車場景普遍在條件中相對較為惡劣,特別對温度和壓力擁有更高的要求。

實際上TI的48V電機產品就是遵照這種要求而設計的,Kannan為介紹其解決方案DRV3255-Q1:

1、集成:TIDRV3255-Q1與現有的三相48V BLDC電機驅動器相比,可將PCB空間減少多達30%

2、功能安全:TI的功能安全合規型電機驅動器可幫助實現符合ASIL D要求的輕混電動車(MHEV)系統,並根據ISO26262要求進行設計。

3、功率:為輕混電動車(MHEV)的大功率電機系統提供超高的柵極驅動電流,Kannan強調TI能夠為輕混電動車提供最高達到30KW的功率。

4、保護:通過0級認證保護48V起動機發電機系統免受瞬態影響。Kannan表示,TI在偵測和保護設計當中有很多的考量,能夠使器件穩定、可靠。

48V電機驅動架構設計有門道

Kannan為記者展示了市面上常見的48V電機架構,要實現具有強大保護功能的安全電機驅動器系統,需要在外部使用鉗位二極管、外部驅動電路、匯路電阻器和二極管、比較器以及外部安全邏輯。這些外部器件會導致布板空間增大並使系統成本升高。不僅如此,由於電機是三相的所以需要三套同樣的器件。

而DRV3255-Q1的集成了外部邏輯和比較器、可調節高電流柵極驅動器以及對大電壓瞬態的支持(無需額外的外部器件),將所有需要的一些邏輯和驅動器件都集成在系統裏。由此,外部系統被大大簡化,這樣的高度集成化還能帶來更小的板載空間。

DRV3255-Q1不僅擁有超高的集成性,能夠減少12-24個無源器件,還擁有高達30kW的超高功率和能夠免受95V惡劣開關瞬態電壓影響的安全機制。產品不僅根據ISO26262標準設計,能夠幫助客户容易實現ASIL-D等級的系統設計,還符合AECQ-100 0級標準,甚至可在-40攝氏度到150攝氏度環境下應用。

Kannan表示48V電機驅動是DRV3255-Q1最主要的系統目標,除了最常見的應用外,TI預計未來會有諸如電機驅動的電動助力轉向應用運用48V系統。

他強調,無人駕駛系統需要確保智能和安全,因此需要高度冗餘的空間搭載相關功能。想要確保系統冗餘,起碼要兩個同時運行的系統並存。“當兩個系統並存在一起時,如果純粹以12V單相電源來供電,負荷會有一定限制,不能做到很高的重複使用。如果能夠一個系統用48V,另外一個系統用12V,冗餘度就會變得非常高,並且能確保正常運行時單一電源會更高。”

一般的設計中,系統中還會配置12V的電池去配置電源驅動芯片和MCU,供電的來源則是DC/DC降壓器將48V降壓為12V所供給的。一般的驅動電機中,電壓在系統上出現任何偏差都會直接將48V電流灌注衝擊電源驅動芯片和MCU上。

DRV3255-Q1的設計中,由於所有邏輯接口都擁有了最高75V的高承受電壓基準,有任何錯誤,電機驅動器都是能夠承受這個負載的。Kannan強調,這也是48V驅動設計中較為重要的一點,能夠提高產品的可靠度。

48V電動車未來將走向何方

對於48V電動汽車,業界常常傳出“48V是過渡,甚至OEM會跳過48V這一世代”的聲音。但實際上,大多數OEM四方集運查詢電話正在採用48V系統,因為這隻需在車輛架構上進行一步步改變,ICE則需要昂貴的重新設計。並且,很多OEM四方集運查詢電話也正在逐漸傳出擴產MHEV產品組合的消息,越來越多的OEM開始計劃推出MHEV,所以説傳言與實際是背道而馳的。

雖然48V這個數字看起來比12V更大,但實際在汽車成本上並不是一個正比的關係。具體來説,電纜成本(48V允許比12V更小線標,電纜尺寸和重量更低)、供電成本(電動泵、風扇、動力轉向齒條和壓縮機效率更高)、電池成本(比PHEVBEV要求更低)、發動機成本(可在性能不變情況下,用四缸發動機替換六缸發動機)。

那麼既然48V電機驅動比12V電機驅動優勢這麼多,前者會取代後者嗎?答案是否定的,TIKarl-Heinz Steinmetz曾在其官網中表示,高端汽車製造商將完全轉向48V系統可能需要1015年的時間,未來一段時間內仍會是12V-48V的雙動力結構。

通過觀察TI48V驅動上主推的DRV3255-Q1這個產品,其很大優勢都是建立在其高度集成化和安全可靠性上的。説到集成,TI近兩年發佈產品均從分立轉向擁抱集成,Kannan強調在集成方面,TI還提供了很好的環境偵測功能,能夠把一些偵測到的資訊很方便地從驅動器轉到處理器上。這樣的高度集成化,使得TI認為這個系統有很大的優勢去幫助客户建立小型化的48V電機驅動系統。

從汽車上談起,TI現在擁有7000種車規級模擬和嵌入式產品,並且從2014年以來,每年都會推出數百種新型車規級的芯片。相信這樣的實力之下,48V電機驅動將會受到無比強大的加持。


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