汽車電動(dòng)化配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

時(shí)間：2024-06-26 15:17:43

關(guān)鍵字：汽車智能配電系統(tǒng) 自動(dòng)駕駛

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[導(dǎo)讀]汽車電動(dòng)化與智能化漸成主機(jī)廠共識(shí)，消費(fèi)者購車時(shí)的考量也從傳統(tǒng)的性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)向以智能車機(jī)、自動(dòng)駕駛為代表的智能化體驗(yàn)視角。

隨著國家政策引導(dǎo)及核心零部件軟件技術(shù)的成熟應(yīng)用，汽車電動(dòng)化與智能化漸成主機(jī)廠共識(shí)，消費(fèi)者購車時(shí)的考量也從傳統(tǒng)的性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)向以智能車機(jī)、自動(dòng)駕駛為代表的智能化體驗(yàn)視角。當(dāng)行業(yè)供需兩端的關(guān)注點(diǎn)逐步由性能轉(zhuǎn)變至智能時(shí)，汽車創(chuàng)新的核心亦從“動(dòng)力引擎”發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移到“計(jì)算引擎”半導(dǎo)體。

統(tǒng)配電網(wǎng)目前還存在運(yùn)行環(huán)境差，可能導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)以及傳統(tǒng)繼電器、接觸器控制回路存在速度慢故障率高等問題，以MOS管做為控制開關(guān)，可發(fā)揮MOS管電壓控制、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快的特點(diǎn)，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)開關(guān)電器的智能化控制，解決了傳統(tǒng)控制配電網(wǎng)開關(guān)回路觸點(diǎn)壽命和潮濕環(huán)境造成的影響，符合智能配電網(wǎng)的電路需求。

本文推薦無引腳的TOLL封裝中低壓MOS管PGT06N009，器件具有較小的尺寸和占用空間，使得它們?cè)谟邢薜目臻g環(huán)境中易于集成和布局，相比TO-263-6L，TOLL占板面積縮小30%，高度減小50%，節(jié)省了寶貴的PCB應(yīng)用空間，而且熱阻更小從而散熱效率更高，封裝寄生電感更小，有助于降低生產(chǎn)成本和散熱解決方案成本、提高功率密度。

隨著人們生活質(zhì)量的提高，汽車在現(xiàn)代社會(huì)中越來越普及，而隨著汽車保有量的持續(xù)增長，道路交通安全事故也越來越多，為了減少安全隱患，除了不斷完善道路安全法規(guī)、加大全民駕駛教育力度，對(duì)于OEM來說加強(qiáng)汽車安全設(shè)計(jì)也是必不可少的。近年來智能汽車、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的興起也使得汽車安全技術(shù)的發(fā)展面臨全新的局面。

首先，電網(wǎng)是什么?發(fā)電、供(輸、配)電、用電組成電力系統(tǒng)，而電力網(wǎng)包括供電和用電。

其中供電系統(tǒng)是汽車正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著人們對(duì)汽車舒適性和娛樂性需求的提高，汽車的電子電器設(shè)備迅速增加，導(dǎo)致了電池易過放電、能源消耗增多、供電線束復(fù)雜、供電安全性降低、故障診斷困難等問題。

智能配電概念是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，已經(jīng)被傳統(tǒng)燃油車配電解決方案所采用。智能配電子系統(tǒng)開始用于開發(fā)高可靠性、高能效的配電解決方案，這極大地影響了 ECU電控單元中的配電概念，意味著傳統(tǒng)保險(xiǎn)將被固態(tài)保險(xiǎn)取代。當(dāng)超高電流尖峰引起額外的電壓應(yīng)力時(shí)，固態(tài)保險(xiǎn)可以保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)還可預(yù)防失效和誤操作。風(fēng)險(xiǎn)一旦抗過去，配電系統(tǒng)就會(huì)重新啟動(dòng)，而無需更換任何電子單元或保險(xiǎn)絲。

意法半導(dǎo)體全新的STPOWER STripFET F8 40V系列完美滿足汽車行業(yè)對(duì)電子保險(xiǎn)(eFuse)方案的線性模式工作耐變性和能源管理的嚴(yán)格要求。

汽車配電系統(tǒng)

采用新的智能配電系統(tǒng)取代集中式配電架構(gòu)是汽車配電系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)，集中式配電架構(gòu)是將電能從電池分配到各個(gè)負(fù)載系統(tǒng)，配電裝置包括起到過載保護(hù)作用的中央繼電器和保險(xiǎn)盒。智能配電系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，包含多個(gè)通過本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)或控制器局域網(wǎng)(CAN)相互通信的小配電中心。這種模塊化方法允許在車輛上實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制架構(gòu)，大幅減少線束的連接數(shù)量，從而優(yōu)化系統(tǒng)成本和重量，改進(jìn)電氣性能。

智能配電模塊又稱電子保險(xiǎn)(eFuse)，較傳統(tǒng)配電方案有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崟r(shí)交換數(shù)據(jù)信息，可以增強(qiáng)系統(tǒng)診斷和保護(hù)功能。此外，固態(tài)開關(guān)可以最大限度減少配電系統(tǒng)的功率損耗，從而提高汽車的燃油效率，減少二氧化碳排放量。最后，電子保險(xiǎn)提高了系統(tǒng)可靠性，滿足了市場對(duì)汽車安全的嚴(yán)格要求。圖1所示為汽車智能配電系統(tǒng)的框圖。

圖1汽車智能配電系統(tǒng).

eFuse智能開關(guān)集成了控制電路和功率開關(guān)，其中，控制電路連接微控制器。如果是高限流大功率汽車配電系統(tǒng)，還需另選用高耐變性、低導(dǎo)通電阻的功率 MOSFET 作為外部功率開關(guān)。

功率開關(guān)選型標(biāo)準(zhǔn)

在導(dǎo)通線性模式下的耐變性和關(guān)斷時(shí)的耐雪崩性是選擇外部功率開關(guān)的兩個(gè)重要的參考數(shù)據(jù)，這些參數(shù)特性在優(yōu)化大電流配電系統(tǒng)過程中起著關(guān)鍵作用。

下文全面分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)中的eFuse 智能開關(guān)，開關(guān)的總電流最高160A，持續(xù)時(shí)間約40 秒，暫停 10 秒，連續(xù)測量6次，然后討論四個(gè)并聯(lián)的功率 MOSFET，為確保電池和負(fù)載之間是雙向保護(hù)，四個(gè)管子采用雙背靠背配置(圖 2)：

圖2： eFuse智能開關(guān)

開關(guān)之間插入的分流電阻(Rshunt)是用于實(shí)時(shí)檢測支路電流，如果電流意外增加，則關(guān)斷開關(guān)，關(guān)閉系統(tǒng)。該電阻還把反饋信號(hào)送到控制器，使其對(duì)MOSFET的柵源電壓(VGS)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，將電流限制在目標(biāo)值，保持電流恒定。

1. 線性模式耐變性

該配電系統(tǒng)必須在導(dǎo)通時(shí)提供一個(gè)恒定的電流，為電控單元的大容量電容器軟充電，從而限制浪涌電流，并防止任何電壓尖峰出現(xiàn)，這是功率開關(guān)在線性模式下的工作條件。

我們用一個(gè)專用基準(zhǔn)測試方法對(duì)STL325N4LF8AG做了測試，測量波形如圖 3 所示：

圖 3. 軟充電期間的 MOSFET 基準(zhǔn)測試

在上述條件下，該MOSFET 能夠耐受充電時(shí)間長達(dá)700ms的線性模式工作條件。因此，必須檢查該器件的安全工作區(qū)(SOA)，驗(yàn)證這個(gè)工況有安全可靠保證。STL325N4LF8AG 的理論 SOA 曲線如圖 4 所示：

圖 4. STL325N4LF8AG的理論安全工作區(qū)

不過，熱不穩(wěn)定性會(huì)顯著降低MOSFET 的電流處理能力，嚴(yán)重影響開關(guān)的性能，這種現(xiàn)象被稱為 Spirito 效應(yīng)，是由硅片上的電流分布不均引起的。在熱系數(shù)零點(diǎn)(ZTC)以下，如果芯片上出現(xiàn)局部溫度高于其余部分，這個(gè)區(qū)域?qū)⑾母嗟碾娏?，耗散更多的功率，結(jié)果局部高溫變得更高，這個(gè)過程最終會(huì)導(dǎo)致熱失控和 MOSFET擊穿，三個(gè)電極短路。燒痕會(huì)出現(xiàn)在芯片中心附近和芯片鍵合結(jié)構(gòu)附近。

此外，觀察發(fā)現(xiàn)，功率脈沖越寬，熱點(diǎn)出現(xiàn)得越頻繁。當(dāng)時(shí)間脈沖10ms時(shí)，Spirito 效應(yīng)發(fā)生在VDS 約2V處，當(dāng)時(shí)間脈沖1ms時(shí)，Spirito 效應(yīng)發(fā)生在VDS 約4V處，而直流操作在任何電壓下都受限于熱不穩(wěn)定性，如圖 5 所示：