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48V车辆电气系统–不仅仅是桥接技术?

发布日期:2020-04-23

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-04-23 20:22:49

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高性能半导体可为各种汽车48V应用提供高效可靠的解决方案...



近年来,48V汽车电气系统的开发主要集中在轻度混合动力汽车动力总成中的P0和P1配置上。这样做的动机是,与纯电动或插电式混合动力汽车相比,它具有成本优势,开发工作量少并且可以立即减少车队的二氧化碳排放量。对于许多制造商而言,引入这些轻度混合动力汽车是实现车队当前限值的最快,**成本效益的解决方案。因此,在全球范围内已经建立了足够大的HV(高压)BEV(电池供电电动汽车)车队以遵守CO2法规之前,通常将48V汽车电气系统视为桥梁技术。但是,48V技术提供的潜力远不止与纯BEV车辆之间的桥梁。


为了符合CO2规范,48V技术可实现传统内燃机的再生制动,中间能量存储和后续的电气支持。但是,将来的极限值似乎无法用该概念再现。这就是为什么许多汽车制造商转向HV-BEV的原因。图1示意性地说明了电动汽车的市场份额必须如何发展才能符合未来的限值。这解释了为什么48V车辆电气系统通常仅被视为桥接技术。


(*图1:示意图,说明如何发展ICE,48V轻度混合动力和电动汽车的市场份额才能满足未来的极限值。)


从技术角度来看,具有零局部排放的纯电动汽车显然是理想的解决方案,因此必须相应地开发和推广。但是,仅依靠HV电动汽车是一个有争议的问题。有可能破坏有前途的替代概念(例如燃料电池或CO2中性合成燃料)的开发,从而丧失潜在的关键技术。此外,就原材料生产和能源生产而言,全球转向纯电动汽车尚不能视为二氧化碳中和。特别是,能量混合以及对HV电池生产和回收的考虑可能会对碳足迹产生负面影响。决定性因素将是可以在不产生二氧化碳的未来实施电动汽车的时间尺度,以及48V车辆电气系统如何支持这一时间尺度。因此,以下内容集中于以下问题:48V车辆电气系统是否将仅是车辆中的桥接技术,以及48V车辆电气系统是否还会有潜力。


48V架构和应用


动力总成中的电机(EM)有多种集成选项(P0至P5)。可以在所有配置中实现已连接内燃机的基本功能“增压”和“能量回收”以及已断开内燃机的“惯性停车”功能,因此对于断开操作,需要一个自动启动离合器。P2至P5配置的共同点(与与曲轴转速耦合的P0和P1配置不同)在于,它们可以在断开内燃机时恢复制动能量,并在48V的性能范围内实现纯电动行驶系统。P4和P5架构还允许基于48V的全轮驱动功能。


无论驱动器是HV-BEV,燃料电池还是合成燃料,附加单元中的48V电压电平均比12V节能,并且与HV相比,简化了车辆的安装和操作–从而具有相应的优化潜力。根据驱动概念,此处显示了潜在的48V应用,如图2所示。2 – 4 kW的eTurbo(电动涡轮增压器),4 – 5 kW的eA / C(电动空调压缩机),诸如eCAT(电催化加热)的电加热器,PTC辅助加热器或1 – 5的挡风玻璃除冰kW,1 – 5 kW的ERC(电力驱动和侧倾稳定),高达1 kW的泵和风扇以及其他具有高功率密度和/或连续使用的应用。目前,在具有P2-P4配置的第二代轻度混合动力汽车以及HV-BEV中的第三电压水平上,可以看到这些应用朝着48V方向发展。


(* 图2:具有48V辅助单元的双电压车辆电气系统的示意图。)


如果我们对城市交通的业务领域或所谓的“移动即服务(MaaS)”作为一个整体概念进行更进一步的展望,这将为48V技术开辟更多的应用领域。与当今对HV-BEV的超长距离(> 400 km),充电时间越来越短的要求相反,此处的主要重点是成本,电池重量,绝缘保护和2 km至20的短行驶距离公里根据车辆的基础设施和停车状况,有足够的时间在工作时间,通宵或类似时间充电。对于此要求,据计算,一个30 kW的驱动器足以用小型城市汽车完成城市和陆上的标准循环。此外,在此工作周期中,48V BEV动力总成比HV 400V BEV动力总成便宜约25%。此外,已经有基于48V BEV的有效载荷高达1,000公斤的商用车。诸如48V BEV的摩托车和电动踏板车也在市场上确立了自己的地位,在某些情况下甚至配备了可更换电池。所有这些实施方式都可以使用已经开发或将要开发的用于轻型混合动力汽车的应用程序,例如带有电池管理系统(BMS),逆变器,DC / DC转换器和辅助设备的电池。


问题在于“ MaaS”主题将如何继续发展。在这里,甚至传统的汽车制造商也正在重新定位自己,并制定有关如何向MaaS提供商实施转型的战略,从而定义了一个全新的生态系统。在这些模型中,解决了全部机动性问题,除了少数人乘坐的小型城市车辆外,还有一个类似于EasyMile的“班车POD”,可容纳多达12人的运输能力,“载人汽车”类似于公共汽车和“货物”最后一英里的服务。与小型城市汽车相比,由于重量更大,因此需要更高的功率密度。这不仅可以将48V用于传统的动力总成和辅助单元,而且还可以用于转向,制动,行车稳定以及轮毂电机。在卡车,农业,建筑机械,叉车,特种车辆和航空市场中也可以找到类似的应用。


即使仅实现了上述应用中的某些应用,其中一些应用仍在未来,但仍将大大延长48V的使用寿命。


适用于48V架构的高性能半导体


48V车辆电气系统中的半导体尤其用于控制电动机,并在逆变器中用于分配功率或为辅助单元供电。它们还通过DC / DC转换器在48V和12V电气系统级之间提供连接。相应的组件是传感器,微控制器,电源,电源,通信和驱动器IC。


框图(图3)显示了用于控制起动交流发电机(48V车辆电气系统中的关键组件)的半导体的基本布局。为了给微控制器供电,将系统电压(48 V)降低到微控制器和其他IC常见的水平。这是电源IC(安全系统电源)的基本功能。它还在功能安全领域执行其他任务。微控制器既可以实现电动机的磁场定向控制,也可以控制交流发电机运行中的励磁绕组。为此,在微控制器中实现了复杂的定时器单元。另外,它通过各种通信总线(例如通过CAN)与车辆的其他控制单元通信。通过适当的传感器,可以测量电动机转子的转子位置和转速以及当前在逆变器中流动的电流,并将其传输到微控制器。智能传感器IC已经可以在内部处理测量数据,并通过传感器总线将这些数据作为数字值提供给微控制器。为了实现精确的电机控制,还必须将各个电机相中的电流传输到微控制器。为此,在逆变器中使用分流电阻器,或者使用磁场传感器确定电流。


(*图3:具有主要半导体组件的48 V微型混合动力系统的框图。)


低损耗MOSFET通常用作48V车辆电气系统中的功率级IC,通常由专用的三相驱动器进行控制和监视,并在紧急情况下切换到安全状态。除电机驱动器IC之外,其他重要组件还有高性能栅极驱动器IC,与MOSFET结合使用,可为48 V / 12V隔离提供高度可靠的电池开关或安全开关。使用DC / DC转换器将48V车辆电气系统电气耦合到12V车辆电气系统。


完整的48V产品组合


英飞凌为48V系统提供了完整的芯片组解决方案系统-从稳压器,收发器和传感器到微控制器,智能电源驱动器和超低电阻MOSFET。


AURIX微控制器系列最初非常成功,特别是在动力总成领域,但也涉及其他领域,例如安全/安保或驾驶员辅助系统。同时,**进的AURIX一代TC3xx产品(40纳米带嵌入式闪存)已投入生产,并提供高性能和高效设计的所有要素。这使设计人员可以从一系列可扩展的存储器大小,外围功能,频率,温度和封装选项中进行选择。AURIX TC3xx系列的多核体系结构包含多达六个独立运行的32位TriCore处理器内核,因此与上一代产品相比大大提高了计算性能。TC3xx微控制器提供了实时功能,数据安全性和功能安全性的理想组合,可满足高达ASIL-D的ISO 26262系统要求。


48V系统的其他重要通信和电源组件是隔离的CAN收发器和桥驱动器IC(例如TLE9180)。


48V应用对启动器交流发电机(皮带驱动或集成式),DC / DC转换器或电池主开关等应用的80V和100V MOSFET的需求不断增长。英飞凌的OptiMOS5系列提供了广泛的产品组合,包括低,可扩展的低通态电阻器(低至1.2 mW)以及各种封装,例如新型的TOLL(无引线),TOLG(HSOG-8)和TOLT(高功率的顶部冷却)性能),裸芯片和芯片嵌入。


48V系统还需要精确而坚固的传感器来感应BLDC电机的转子位置以及进行电流测量。基本上,传感器应占用尽可能少的空间,损耗低,灵活且具有成本效益,并且在整个使用寿命中都应高度精确,坚固且安全地运行。举例来说,基于霍尔的电流传感器XENSIVTM TLI4971是英飞凌新型“无芯”电流传感器系列的**成员,可以满足所有这些要求。它测量的电流高达120 A,并经过完全校准。


芯片嵌入


英飞凌技术公司与Schweizer Electronic AG(https://www.schweizer.ag/en/home.html)合作开发了功率MOSFET芯片嵌入技术(图4)。该技术可以将48V系统的性能提高多达60%,同时降低了组装和连接技术的复杂性。在芯片嵌入中,MOSFET不像以前那样焊接在印刷电路板上,而是作为所谓的标准单元(铜引线框架中的MOSFET裸片)直接集成到印刷电路板上。与此相关的热和电优势使得功率密度显着提高。同时,特别是与陶瓷模块相比,可以提高可靠性。这使开发人员可以提高48V系统的性能,或者使其更具成本效益。例如,集成的48V起动-交流发电机为以下事实做出了重要贡献:轻度混合动力汽车的二氧化碳排放量比常规动力总成少约15%。


(* 图4:通过芯片嵌入,功率密度可以进一步提高35%。)



结论


在这里介绍的背景和提到的应用示例的背景下,为汽车使用48V车辆电气系统电压进行进一步投资和系统优化无疑是有意义的。因此,英飞凌奉行始终如一的战略,不仅在电动汽车的高压技术上进行重大投资,而且还在48V技术和产品上进行大量投资。为了实现这一点,可以提供广泛的,可扩展的高性能半导体产品组合。




-作者-


Dusan Graovac 博士,  英飞凌科技汽车系统工程总监兼全球主管

Christoph Schulz-Linkholt, 英飞凌科技公司配电业务**系统架构师

Thomas Blasius博士, 英飞凌汽车系统营销机构




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