不僅僅是汽車動(dòng)力的簡(jiǎn)單更改，汽車電氣化兩大發(fā)展方向關(guān)鍵解決方案解析

前不久，國內(nèi)宣布新能源汽車補(bǔ)貼新政，將新能源汽車的補(bǔ)貼時(shí)間延長(zhǎng)至2022年，為國內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)注入了一針強(qiáng)心劑。自新能源汽車的概念在全球范圍興起以來，以特斯拉為首的電動(dòng)汽車憑借新穎的駕乘理念、良好的加速性能以及科技感十足的外觀等受到了買家的重點(diǎn)關(guān)注，另一方面，世界范圍內(nèi)要求減少碳排放、提高燃油效率的法規(guī)的出臺(tái)，同時(shí)促使車輛電氣化迅速普及。

對(duì)于汽車動(dòng)力來說，在不考慮電能在發(fā)電和輸配電過程中的流轉(zhuǎn)損耗，電能作為二次能源，其運(yùn)行效率是高于傳統(tǒng)化學(xué)能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，換句話講汽車的電氣化水平和節(jié)能效果近似成正比。那么電氣化系統(tǒng)該如何設(shè)計(jì)?通常從傳統(tǒng)基于發(fā)動(dòng)機(jī)的架構(gòu)，基于內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力總成往兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是往電氣化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展，另一個(gè)是各種控制系統(tǒng)的電氣化升級(jí)。如何將相關(guān)的這兩個(gè)方向做得更好，本文將從高性能模擬技術(shù)提供商ADI的幾款關(guān)鍵器件為例進(jìn)行應(yīng)用分析。

柵極驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣化的必經(jīng)之路

傳統(tǒng)車在前艙會(huì)有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在整體新能源車在車底會(huì)有一個(gè)電池系統(tǒng)(電池管理和動(dòng)力電池系統(tǒng))。同時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)會(huì)過渡到由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，如果是四輪驅(qū)動(dòng)后面和前面會(huì)各有一個(gè)電機(jī)。首先，電池給出來的電是直流電，但是電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪卻需要交流電，當(dāng)中需要有一個(gè)電機(jī)控制器去控制直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，而且要控制電機(jī)車輪去旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，以及給多少動(dòng)力到車輪上。

車輛電氣化驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

對(duì)應(yīng)來說，要把直流電轉(zhuǎn)換成高壓的交流電，需要應(yīng)用到高壓功率器件。多年來，功率輸出系統(tǒng)的功率開關(guān)技術(shù)選擇一直非常簡(jiǎn)單。在低電壓水平(通常為600 V以下)，通常會(huì)選擇MOSFET;在高電壓水平，通常會(huì)更多地選擇IGBT。隨著氮化鎵和碳化硅形式的新型功率開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，汽車電氣化驅(qū)動(dòng)技術(shù)也有了更多高性能應(yīng)用選擇。

典型功率轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈

柵極驅(qū)動(dòng)器可接收系統(tǒng)控制過程產(chǎn)生的邏輯電平控制信號(hào)，并提供驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)柵極所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在隔離系統(tǒng)中，它們還可實(shí)現(xiàn)隔離，將系統(tǒng)帶電側(cè)的高電壓信號(hào)與在安全側(cè)的用戶和敏感低電壓電路分離。典型IGBT的柵極充電電荷高達(dá)數(shù)百nC，因此，我們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)器在2 A至6 A范圍內(nèi)提供輸出驅(qū)動(dòng)能力。目前，市場(chǎng)上提供的GaN開關(guān)的柵極充電電荷性能提升了10倍以上，通常處于5 nC至7 nC范圍內(nèi)，因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)要求已顯著降低。降低柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)要求可使柵極驅(qū)動(dòng)器尺寸更小、速度更快，而且還能減少添加外部緩沖器以增強(qiáng)電流輸出的需求，從而能夠節(jié)約空間和成本。

以ADI公司最近推出的產(chǎn)品ADuM4135為例，其采用了iCoupler®技術(shù)，提供最高達(dá)100 kV/μs的共模瞬變抗擾度，能夠應(yīng)對(duì)此類應(yīng)用。但是，提高CMTI性能往往會(huì)產(chǎn)生額外的延遲。延遲增加意味著高端和低端開關(guān)之間的死區(qū)時(shí)間增加，這會(huì)降低性能。在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域尤其如此，因?yàn)樵诖祟愵I(lǐng)域中，信號(hào)在隔離柵上傳輸一般具有更長(zhǎng)時(shí)間的延遲。但是，ADuM4135不僅提供 100 kV/μs CMTI，而且其傳播延遲僅為50 ns。

典型柵極驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲和CMTI性能

雙電源軌并行，專用DC-DC轉(zhuǎn)換器這樣提升控制系統(tǒng)電氣化實(shí)力

新提出的汽車標(biāo)準(zhǔn)(稱為L(zhǎng)V 148)將二級(jí)48 V總線與現(xiàn)有汽車12 V系統(tǒng)合而為一。此新標(biāo)準(zhǔn)要求12 V總線繼續(xù)為點(diǎn)火、照明、信息娛樂和音頻系統(tǒng)供電。而48 V總線將為主動(dòng)底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)、可調(diào)懸架、電動(dòng)增壓器/渦輪增壓器供電，甚至還將支持制動(dòng)能量回收。

新一代汽車將采用12 V和48 V電池供電

在車輛中增加一個(gè)48V供電網(wǎng)絡(luò)并非沒有重大影響。電子控制單元(ECU)將受影響，且需要將其工作范圍調(diào)至更高電壓。這就要求DC-DC轉(zhuǎn)換器制造商采用專用的IC，以實(shí)現(xiàn)這種高功率傳輸。于是，ADI公司Power by Linear? (PbL)產(chǎn)品部門設(shè)計(jì)開發(fā)了一些DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠以非常高的效率實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換，從而在節(jié)能的同時(shí)最大限度地減少了散熱設(shè)計(jì)方面的問題。

LT8228是該公司最近推出的一款雙向DC-DC控制器，通過使用相同的外部功率組件進(jìn)行降壓和升壓，其可提高48V/12V雙電池DC-DC汽車系統(tǒng)的性能、控制功能并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。它可根據(jù)需要在48 V總線至12 V總線降壓模式或12 V至48 V升壓模式下工作。啟動(dòng)汽車或需要額外電源時(shí)，LT8228允許兩個(gè)電池同時(shí)向同一負(fù)載供電。功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)人員利用這個(gè)功能多樣的雙向轉(zhuǎn)換器，可以輕松地配置未來全自動(dòng)駕駛汽車所需的12V和48 V電池系統(tǒng)。

LT8228采用與降壓轉(zhuǎn)換相同的外部功率組件進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換，是一款具有獨(dú)立補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的100 V雙向恒流或恒壓同步降壓或升壓控制器。電源的流動(dòng)方向由LT8228自動(dòng)決定，或由外部控制。輸入和輸出保護(hù)MOSFET用于防止出現(xiàn)負(fù)電壓，控制浪涌電流，并在開關(guān)MOSFET短路等故障條件下在端子之間提供隔離。在降壓模式下，V1端子的MOSFET保護(hù)可防止出現(xiàn)反向電流。在升壓模式下，相同的MOSFET通過一個(gè)可調(diào)整的計(jì)時(shí)器斷路器控制輸出浪涌電流并進(jìn)行自我保護(hù)。

簡(jiǎn)化的雙向電池備用系統(tǒng)配置中的LT8228

此外，LT8228還具有雙向輸入和輸出限流和獨(dú)立電流監(jiān)控功能。無主、容錯(cuò)均流允許增加或刪除任何并聯(lián)的LT8228，同時(shí)確保均流精度。當(dāng)禁用單個(gè)LT8228或在故障條件下，它會(huì)停止向平均總線輸出電流，從而使均流方案具有容錯(cuò)能力。

總結(jié)

電氣化的終極目標(biāo)，就是要把未來的汽車變得更加環(huán)保，從內(nèi)燃機(jī)到混合動(dòng)力再到純電動(dòng)的轉(zhuǎn)變，只代表了車輛中最明顯的電動(dòng)系統(tǒng)積極增長(zhǎng)的部分，電氣化一樣適用于車輛的子系統(tǒng)。無論是控制系統(tǒng)電氣化的電源管理模塊、DC/DC轉(zhuǎn)換器以及未來無線電池管理技術(shù)，還是電氣化驅(qū)動(dòng)的逆變器、插電充電系統(tǒng)以及未來汽車x-by-wire電氣操縱的高度自動(dòng)化系統(tǒng)，ADI在這些領(lǐng)域都有相應(yīng)的解決方案。借助這些工具，工程師們可以快速適應(yīng)汽車電氣化所需的顛覆性技術(shù)。