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[导读]近期,TI邀请21ic中国电子网共同讨论在48V轻混市场的发展。

电动汽车(EV)是近年来半导体行业必谈的课题之一,在汽车电气化上全世界都在聚焦“减少温室气体排放”这个问题上。据美国国家公路交通安全管理局统计,平均燃油经济性到2026年达40.4英里/每加仑燃油;而在巴黎联合国气候变化大会上(COP21)提出了2030年温室气体排放量比1990年减少40%的目标。

在此背景之下,汽车厂商有两条路。其一,采用电池汽车电机化的做法,使用高压电池进行电动车制造;其二,采用轻混电动车(MHEVMild Hybrid Electronic Vehicle),MHEV仅需使用48V电机,就能将内燃机的温室气体排放量减少13%-22%

随着市场加速,MHEV具有多重优势,已在大多品牌中实现,并具有一定市场。“我们认为48V轻混市场有很大的潜力,而且这个应用对于减少温室气体的排放是有很大的帮助,所以我们绝对认为48V轻混市场是有很大的增长空间的”,德州仪器 (TI) 电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian如是说。近期,TI也邀请21ic中国电子网共同讨论在这一市场的发展。

MHEV48V电机驱动有很大要求

MHEV在越来越严格的排放标准和越来越高的油耗动力需求下应运而生,博世、法雷奥、德尔福等厂商均已有48V轻混汽车面世,并取得不错成绩。

MHEV与传统电动汽车驱动系统最大的区别便是从12V的使用电压变为48V,在电池电压输出升高的情况下整体的线路损耗被降低,启停电机、空调压缩机、冷却水泵等系统的工作时间被改善。除此之外,48V的电压使得锂电池实现快速能量回收,回收能量将被用于辅助驱动,降低发动机负载,整体的油耗和排放均会有效降低。

虽然MHEV拥有如此强大的“魔力”,但实际上对于设计人员来说,想要在MHEV电机驱动系统中实现汽车电气化并非随意之事。根据Kannan的介绍,想要实现MHEV的汽车电气化,对电机驱动系统拥有4个要求:

1、小尺寸:在整车功能愈发增长的背景下,电路板的空间是有限的,小尺寸能够让更多器件集合在电路板上,这样才能更好满足电机驱动的要求。

2、安全性:车规级产品普遍相对普通产品拥有更高的要求,需要在设计中遵循汽车安全完整性等级ASIL D的系统级功能安全性。

3、大功率:大功率器件能够在有限空间中驱动更高功率器件,帮助更好实现电气化。

4、耐受性:由于汽车场景普遍在条件中相对较为恶劣,特别对温度和压力拥有更高的要求。

实际上TI的48V电机产品就是遵照这种要求而设计的,Kannan为介绍其解决方案DRV3255-Q1:

1、集成:TIDRV3255-Q1与现有的三相48V BLDC电机驱动器相比,可将PCB空间减少多达30%

2、功能安全:TI的功能安全合规型电机驱动器可帮助实现符合ASIL D要求的轻混电动车(MHEV)系统,并根据ISO26262要求进行设计。

3、功率:为轻混电动车(MHEV)的大功率电机系统提供超高的栅极驱动电流,Kannan强调TI能够为轻混电动车提供最高达到30KW的功率。

4、保护:通过0级认证保护48V起动机发电机系统免受瞬态影响。Kannan表示,TI在侦测和保护设计当中有很多的考量,能够使器件稳定、可靠。

48V电机驱动架构设计有门道

Kannan为记者展示了市面上常见的48V电机架构,要实现具有强大保护功能的安全电机驱动器系统,需要在外部使用钳位二极管、外部驱动电路、汇路电阻器和二极管、比较器以及外部安全逻辑。这些外部器件会导致布板空间增大并使系统成本升高。不仅如此,由于电机是三相的所以需要三套同样的器件。

而DRV3255-Q1的集成了外部逻辑和比较器、可调节高电流栅极驱动器以及对大电压瞬态的支持(无需额外的外部器件),将所有需要的一些逻辑和驱动器件都集成在系统里。由此,外部系统被大大简化,这样的高度集成化还能带来更小的板载空间。

DRV3255-Q1不仅拥有超高的集成性,能够减少12-24个无源器件,还拥有高达30kW的超高功率和能够免受95V恶劣开关瞬态电压影响的安全机制。产品不仅根据ISO26262标准设计,能够帮助客户容易实现ASIL-D等级的系统设计,还符合AECQ-100 0级标准,甚至可在-40摄氏度到150摄氏度环境下应用。

Kannan表示48V电机驱动是DRV3255-Q1最主要的系统目标,除了最常见的应用外,TI预计未来会有诸如电机驱动的电动助力转向应用运用48V系统。

他强调,无人驾驶系统需要确保智能和安全,因此需要高度冗余的空间搭载相关功能。想要确保系统冗余,起码要两个同时运行的系统并存。“当两个系统并存在一起时,如果纯粹以12V单相电源来供电,负荷会有一定限制,不能做到很高的重复使用。如果能够一个系统用48V,另外一个系统用12V,冗余度就会变得非常高,并且能确保正常运行时单一电源会更高。”

一般的设计中,系统中还会配置12V的电池去配置电源驱动芯片和MCU,供电的来源则是DC/DC降压器将48V降压为12V所供给的。一般的驱动电机中,电压在系统上出现任何偏差都会直接将48V电流灌注冲击电源驱动芯片和MCU上。

DRV3255-Q1的设计中,由于所有逻辑接口都拥有了最高75V的高承受电压基准,有任何错误,电机驱动器都是能够承受这个负载的。Kannan强调,这也是48V驱动设计中较为重要的一点,能够提高产品的可靠度。

48V电动车未来将走向何方

对于48V电动汽车,业界常常传出“48V是过渡,甚至OEM会跳过48V这一世代”的声音。但实际上,大多数OEM厂商正在采用48V系统,因为这只需在车辆架构上进行一步步改变,ICE则需要昂贵的重新设计。并且,很多OEM厂商也正在逐渐传出扩产MHEV产品组合的消息,越来越多的OEM开始计划推出MHEV,所以说传言与实际是背道而驰的。

虽然48V这个数字看起来比12V更大,但实际在汽车成本上并不是一个正比的关系。具体来说,电缆成本(48V允许比12V更小线标,电缆尺寸和重量更低)、供电成本(电动泵、风扇、动力转向齿条和压缩机效率更高)、电池成本(比PHEVBEV要求更低)、发动机成本(可在性能不变情况下,用四缸发动机替换六缸发动机)。

那么既然48V电机驱动比12V电机驱动优势这么多,前者会取代后者吗?答案是否定的,TIKarl-Heinz Steinmetz曾在其官网中表示,高端汽车制造商将完全转向48V系统可能需要1015年的时间,未来一段时间内仍会是12V-48V的双动力结构。

通过观察TI48V驱动上主推的DRV3255-Q1这个产品,其很大优势都是建立在其高度集成化和安全可靠性上的。说到集成,TI近两年发布产品均从分立转向拥抱集成,Kannan强调在集成方面,TI还提供了很好的环境侦测功能,能够把一些侦测到的资讯很方便地从驱动器转到处理器上。这样的高度集成化,使得TI认为这个系统有很大的优势去帮助客户建立小型化的48V电机驱动系统。

从汽车上谈起,TI现在拥有7000种车规级模拟和嵌入式产品,并且从2014年以来,每年都会推出数百种新型车规级的芯片。相信这样的实力之下,48V电机驱动将会受到无比强大的加持。


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