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汽车电源变得更加复杂

发布日期:2020-05-19

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛


2020-05-19 19:55:49



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电气系统正在从头开始重整架构。





汽车中电子产品的含量不断增加,越来越多地关注汽车电源传输网络(PDN)。安全隐患意味着在车辆级别需要全面的电源设计和验证,以及新颖的电源隔离技术,涉及电气和机械方面的考虑。


根据Statista的数据,电子收购可以通过电子零部件在汽车总成本中所占的百分比来衡量,到2030年,这一比例预计将高达50%。车辆周围散布着数百个CPU,并且随着电气部件数量的增加,电压以及电压域的数量也随之增加。


在板级进行功率分析是司空见惯的事,每个ECU都可以进行相应的验证。但是,注意力必须从板级转移到系统级,并且汽车正在成为复杂的电子系统。正在设计全新的体系结构,以解决日益复杂的电力需求,同时****地提高全电动汽车的行驶里程。


汽车和汽车制造商的新面貌


传统的传统汽车OEM厂商是最早尝试电动汽车(EV)的人。西门子业务部门Mentor的IESD汽车市场开发总监Doug Burcicki指出,第一代EV在很大程度上保持了旧的汽车架构,在不进行任何优化的情况下尽最大努力安装了电气组件。特斯拉(Tesla)等较新的竞争对手开始都希望它们都是电气的,因此他们从上至下从战略上设计了系统,从而获得了长期的优势。尽管较老的原始设备制造商正在追赶,但它们仍然倾向于在各种孤岛中运作,而不是在各个汽车品牌和类别中整合机械和电气学科。


对于未来的设计,新老汽车制造商都在重新定义汽车架构,包括内部处理电源的方式。会有多种电压,其中一些电压远高于传统内燃机汽车所见的电压。Cadence信号完整性产品工程架构师Ken Willis说:“随着电压的增加,您将获得更高的电流,这意味着更高的IR压降。”


如Burcicki所述,两个主要电压域是:


  • 700至1,000V子系统,带有自己的大电池,可处理动力总成。这些由“加油”系统收取。

  • 48V子系统(可能降至12V或5V)用于诸如空调之类的“寄生”系统,并在启动和停止过程中为超级电容器充电,以提供额外的功率。具有电池的独立系统减轻了驱动电池的负担,提供了更大的续航里程。该电池在行驶过程中会通过能量收集方法(例如,再生制动和动能存储)进行充电,尽管在加油过程中也会充满电。



(* 图1:两个主要电压域的简化示例,其中高电压为动力传动系统提供动力,而较低电压为汽车中的其他电子系统供电,以及可以为动力传动系统提供帮助的超级电容器。ECU消耗功率的地方可能因架构而异。资料来源:Bryon Moyer /半导体工程 )


动力架构也正在转移到车辆内的多个区域。这样可以提供更好的隔离效果,因此,如果一个区域存在问题,则不一定会影响其他区域。根据Burcicki的说法,由于当今的线束重达300磅,因此它也有助于减少布线。


还可以分布集中式ECU,以提供更好的故障安全操作并进一步减少布线。尽管对于某些ECU来说这很自然,但对于当前管理汽车中分布的单元(如摄像机和天线)的ECU来说,这却是一个挑战。


融合所有数据


摄像机和天线出现在车辆的许多或所有侧面。它们由中央ECU管理,然后由中央ECU分发或收集各个单元的数据。以照相机为例,必须从所有照相机中收集多个图像,以将其融合为一个图像或其他某种格式,从而为驾驶员或自治系统提供快速,清晰,统一的信息。


这将创建第二层配电,因为ECU接收到电源,然后将其重新分配给不同的摄像机。从ECU到摄像机的电缆可能会以某种方式损坏,从而有可能使车辆中的所有摄像机倒塌。Maxim Integrated汽车部门总监Chintan Parikh说:“目前,如果一个10V电源覆盖八个摄像头,那么其中一个短路就会杀死所有八个摄像头。”


Maxim Integrated的解决方案涉及隔离每条摄像机电源线的ASIL-B-D摄像机电源保护单元。他说:“有了隔离,只有一个人被禁用。”设备检查电缆电源是否短接至电池,短接至地面或是否承载的电流过大,并因此关闭了设备。如果其中一个发生故障,则其他状态仍然有效。他说:“如果电源断开,甚至可以重试,”他确认这是否只是暂时性的问题。



(* 图2:摄像机(和其他类似分布的组件)的电源首先传递到中央摄像机ECU,然后再从那里传递到各个摄像机。可以使用其他设备来隔离来自不同摄像机的电源。资料来源:Bryon Moyer /半导体工程 )


但是,如果分配了这个ECU,并且汽车的每个区域都有用于本地摄像机的ECU,会发生什么?摄像机电源隔离可以在它们各自的区域内局部发生,但是将所有图像融合为一个图像仍然需要为此使用一个集中式ECU。


Burcicki建议,如果汽车制造商转向基于事件的摄像头,即所谓的动态视觉传感器(DVS),则可以简化融合要素,这是目前正在解决的最大挑战之一。大多数视场不会很快改变,因此使用仅报告代表变化的事件的摄像机而不必为每一帧重新调整整个视场,可以大大减轻计算负担。


这种情况在自动驾驶的地理防御车辆中更加明显。它们会在有限的路线上反复行驶,因此风景很少发生明显变化。这种系统要关注的是不寻常的变化,例如路上的行人或过马路的狗。这些构成了与习惯观点的偏差,需要采取行动。通过仅将图像处理集中在那些会影响重大车辆决策的异常要素上,可以减轻处理负担。这可以缩小中央ECU的范围,增加分布式体系结构的可行性,该分布式体系结构将本地零件路由到中央ECU进行融合。


设计和验证电源系统


尽管传统的汽车做法导致品牌和类别的汽车之间的通用性有限,但一些制造商却竭尽全力创建了可以在其上构建电动汽车的新平台。它被称为“滑板”底盘,开始规范化动力总成和车轮之类的元素,然后可以将其应用于电气和动力架构。



(* 图3:Rivian制造的滑板底盘。资料来源:Rivian )


Burcicki警告说,“西海岸的初创企业认为机械很简单,他们专注于电气和软件。但这是另一回事。机械不是科学。这是一门艺术。”


传统的OEM可能仍然在组织上介于电气和机械之间,这是一个潜在的问题,但是他们的机械经验很有价值。也就是说,需要适当的平衡。他说:“机械零件即使不通电也不会做任何事情。”


如Willis所述,子系统设计和验证涉及从用于设计不同方面的各种点工具汇总的数据。其中一些数据是根据测试生成得出的经验数据。当设计截止日期临近时,这种方法可能会很困难,因为制造商可以生产汽车,而且没有太多时间可以重复设计。


Cadence的Willis说,汽车设计需要从单个ECU验证所关注的板级转移到更高的系统级。他认为需要执行三个级别的功率分析。首先是在布置任何电路板之前。会有多少个连接器?电缆要多长时间?车辆每一部分的IR下降预算将是多少?


第二个是在设计期间。在这一点上,每个设计师都知道他们自己的功率和IR下降预算,从而为他们确定了可靠的验证目标。第三阶段是在签发阶段,整个系统整合在一起。威利斯进一步指出,需要在电压和温度条件下对组件进行验证,并且必须通过裕量以备不时之需。


这里的挑战是工具必须能够解决整个车辆的PDN。到目前为止,由于验证只针对板卡,因此这些工具一直是电气板级工具。威利斯说:“如果您通常看系统设计,它已经超越了板级。” “这是一个滚动的移动系统。”将工具的范围扩展到不仅限于董事会,还需要在系统级别运行的工具和方法。由于系统由通过电缆互连的多个板组成,因此验证工具必须同时具有机械和电气概念。


Burcicki说,在这种情况下,机械工具仍处于控制之中,电气信息被输入到混合物中。这种共同仿真正在变得越来越普遍,但是这需要时间。所有这些挑战的结果是汽车电源系统越来越受到设计和验证的关注。


威利斯说:“力量是很多被忽视的事情之一。” “这就像房子的地基。您必须正确处理,否则以后要付出代价。”


作者:布赖恩·莫耶(Bryon Moyer),技术编辑,半导体工程杂志







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