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汽车电气化发展下,48V轻混电动车电机驱动该升级了

2021-03-25
作者:王洁
来源:电子技术应用

近年来,为应对气候变化问题,减少温室气体排放的协同效应,各国政府在汽车尾气排放上相继出台了一定的指标。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;在巴黎联合国气候变化大会上提出,到2030年温室气体排放量将比1990年减少40%。排放法规的日益严苛一方面促使了新能源市场的大火,另一方面传统燃油车也逐步向混动方向发展。

汽车电气化已然成为不可逆转的趋势。“在这样的背景下,汽车制造商有两条路可以走:一是纯电动汽车化,用一个高压电池来进行电动车制造;二是采用轻混电动车(MHEV,Mild Hybrid Electronic Vehicle),MHEV使用48V的系统,只需在现有架构上加上一个48V电池和一个48V电机,就能将内燃机的温室气体排放量减少13%~22%。” 德州仪器 (TI) 电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian指出。

在汽车电气化趋势下,轻混电动车参与其中,并且是比较重要的部分。TI认为轻混电动车将会占据很大的份额,不仅有很大的市场空间,也有很大的市场优势,能够达到各国需要满足的温室气体排放降低的要求。

对此,TI日前推出了一款高度集成的0级无刷直流(BLDC)电机驱动器DRV3255-Q1,适用于48V大功率电机控制系统,如MHEV的牵引逆变器和起动机发电机。

MHEV电机驱动系统设计要求

据Kannan介绍,想要实现汽车电气化,对电机驱动系统就有以下要求:

一,小尺寸。因为电路板的空间是有限的,小尺寸能够集合更多的器件在电路板上,为系统提供了很好的实现电机驱动的需求。

二,功能安全性上,能够帮助客户方便地达到系统的功能安全性ASIL-D等级,即业内最高的等级,也是根据ISO26262所做出的要求而设计的。

三,支持大功率应用。能够帮助客户驱动30kW左右的功率电机,一个很小的电路板空间能够驱动很高功率的器件,帮助更好地实现电气化。

四,对恶劣的条件要有很强的耐受性,在高温或高压的环境下有很好的耐受性。这个器件是以0级的要求去做的品质检查。

TI相信,这四点能够帮助客户在设计48V电机驱动应用上面带来很大的帮助,TI遵循这些要求设计的48V电机产品在集成度,功能安全性,功率和稳定性上都表现出色。

通常电机能够放在P0-P5这5个地方,大部分现有产品都是和内燃机放在一起,称为P0架构。随着电机功率越做越大,其能够放到其他传动系统位置上,更好地提供动力需求,TI此次发布的这个方案适用于48V P0和P2电机。

更小的电机驱动系统

如今市面上看到的48V电机架构集成度不高,电路板上有很多不同器件的需求,包括电阻,二极管等,还有保护逻辑(ASC主动短路保护机制和逻辑)。由于是三相电机,要重复三套这样的器件,器件的数量就会很多。

48V电机驱动器系统常见架构

TI高度集成的DRV3255-Q1则可以去掉那三组不同的器件,精简到只需两个电阻来实现。

简化的DRV3255-Q1电机驱动器设计

DRV3255-Q1是一款先进的三相48V BLDC电机驱动器,集成了高侧和低侧主动短路逻辑,从而省去了外部晶体管和控制逻辑。与现有的三相48V BLDC无刷电机驱动相比,DRV3255-Q1能够帮助客户减少多达30%的电路板空间。

这款全新的电机驱动器通过集成主动短路逻辑和动态故障响应,不仅帮助设计人员简化了设计,还可以提供高达30kW的电机功率,同时缩小48V电机驱动系统的布板空间并降低物料清单成本。这样的设计能够帮助在有限的内燃机空间里与这个电机系统并存。

关于DRV3255-Q1这颗芯片的优势,Kannan总结了六大点:

一,集成高侧和低侧的有源电路逻辑,并且是业内领先的三相无刷驱动器。

二,提供大功率驱动,驱动功率能够高达30kW,甚至能够满足驱动一些重型车辆的需求。

三,芯片中集成了有很好的保护机制,能保护48V动力总成系统免受高达95V恶劣开关瞬态电压的影响。

四,内部有高度集成,提供了小尺寸解决方案,能减少12-24个无源器件。

五,根据ISO26262标准进行设计,能够帮助客户容易实现ASIL-D等级的系统设计。

六,符合AECQ-100 0级标准,具有很广泛的工作温度范围,能在-40℃~150℃的环境下应用。

常见应用

DRV3255-Q1最常见的应用场景是48V电机驱动系统。在整体系统上,电路板的空间非常小,想将它放入电机里,需要比较小的电路板做设计。

除了最常见的应用以外,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。“无人驾驶系统需要确保智能和安全,因此需要高度的冗余。想要确保系统冗余,起码要两个同时运行的系统并存。此时,如果纯粹以12V的单相电源来供电,负荷会有一定的限制,不能做到很高的重复使用。如果在这个系统上一个系统用48V,另外一个系统用12V,那么冗余度就非常高,而且能确保系统正常运行的机会较用单一电源会更高。” Kannan分析道。

考虑到功能安全性,DRV3255-Q1的设计采用了德州仪器经认证的功能安全硬件开发流程,并包含内置的安全机制和文档(如故障模式,影响和诊断分析以及功能安全手册)。除针对器件内部故障模式的安全机制外,数字输入/输出引脚还可以承受75V的绝对最大额定值,保护DRV3255-Q1免受外部12V电源过压的影响。

汽车电气化趋势下,48V轻混在里程和环境问题上有一定优势,不失为过渡阶段的一个好选择。TI在集成度上提供了很大的优势,同时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,更好地帮助客户建立小型化的48V电机驱动系统。此外,产品创新,系统级专业知识,保障持续供应也是TI的一直以来的优势所在,Kannan总结道:“TI有很好的供应链,全球有14个生产基地,也拥有自己的工艺和封装制程,能够保质保量,而且都能够按时交付。客户与我们合作,就有很好的质量保证以及在交付期上的保证。我们的产品和系统级专业知识可以帮客户解决复杂的设计难题,助力加速电动,智联和自动化汽车设计,量产。”


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