从器件到系统,谁来保证新能源汽车的安全?

2019-05-08来源: EEWORLD关键字:德州仪器  新能源  电源管理  安全  传感

“德州仪器作为芯片供应商,可以提供10万多种器件,可以覆盖所有的模拟器件以及数字信号处理产品线,所以我们的系统级技术和解决方案能力相比普通单一器件供应商要有更多的内容。”TI中国区汽车业务部总经理张磊说道:“目前公司的整体方向是在致力于做好器件供应商本职工作以外,通过对行业的理解,行业演进技术的理解,把更多的精力放在方案供应商的角色上,围绕基于TI的半导体集成电路的系统级解决方案,而不只是从芯片角度。”


对于汽车工程来说,由于牵扯到人身安全问题,所以开发周期天然就长。同时随着新能源汽车,ADAS系统的发展,汽车当中的元器件含量越来越高,也越来越复杂。为了更一致的安全性开发,同时也为了降低开发难度,系统级方案越来越获得市场的认可。同时,作为如今的车厂来说,不再是十几年前单纯的组装厂,他们愿意获得更多的技术细节,可以自己开发部分电子系统,又或者可以主导Tier1的开发,也正因此,系统级方案也是OEM车厂所需要的。


针对汽车电子的发展趋势,TI是怎么做的呢?日前,张磊与德州仪器中国区汽车电子技术应用经理师英以新能源汽车领域的监控与保护为例,共同解读了TI在汽车电子领域的布局和策略,作为一家基础元器件公司,是如何确保汽车更安全的。


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图左为德州仪器中国区汽车业务部总经理张磊,右为德州仪器中国区汽车电子技术应用经理师英


以应用为核心,TI的五大布局


TI的产品覆盖了模拟信号链、电源管理、嵌入式处理器、无线接入技术、传感器等多个方面,所以可以相对全面地构建解决方案。而根据应用区分,TI在汽车电子领域总共有五大布局。


首先是传统的被动安全系统,包括ABS系统和安全气囊系统等,这是汽车电子系统中最传统的部分,也是TI最早进入汽车电子市场的产品,也正是因为TI芯片在这些系统中的稳定运行,证明了其高度的安全可靠性。


而随着汽车电子化的不断演进,TI以智能、绿色、安全三大关键词为主旨,根据创新应用的需求不同,划分了汽车领域四大全新应用:


分别为先进驾驶辅助系统(ADAS系统)、车身电子元件和照明、信息娱乐系统和仪表盘交互系统以及混合动力、电动动力传动系统在这些领域中,既有处理器、信号链、电源管理、保护电路、传感器、各类驱动在内的标准品,也有很多TI独创的技术与产品,比如77GHz毫米波雷达传感器、百万像素前大灯照明方案、DLP抬头显示、FPD-LINK收发器等。

符合电气化未来的产品

混合动力、电动动力传动系统所代表的电气化,是如今汽车市场上最炙手可热的产品,随着环保的要求越来越高,与此同时中国市场乘用车总体市场销量下滑,更多公司将宝压在了电动车上,成为了为数不多的需求上升领域。


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如图所示,张磊将低排放新能源汽车分为六大系列,包括轻混、中混、全混、插电式混合、电动车以及能源独立的太阳能车。

每类产品所需要的功率相关技术不完全相同,呈现了逐步递增的技术需求。其中,最基础的就是逆变器、DC/DC直流转换以及电池管理系统,同时板上充电系统也是大部分纯电车以及插电式混合所需要的。同时提升的还有节能效率及整体功耗。


张磊表示,在新能源汽车上,除了和功率相关的发动机管理系统之外,在传动系统、助力转向系统以及传感系统上,TI都提供了更高效更耐压更安全的产品组合。

从监控和保护看TI是如何推动系统创新的?

为了加速系统创新,TI自从2013年起就开始致力于建设TIDesigns设计参考资料库,其中汽车领域的参考设计已达340个左右,涵盖了TI产品可以涉及到的种种应用。

张磊强调道,TIDesigns并不是一个简单的示意图,在TIDesigns官网上,还包括评估板、具体Layout、软件下载以及测试报告。“这是非常好的生态系统,能够有效降低设计人员的门槛,把设计周期减少。”张磊表示:“汽车级的产品抗老化测试的等级和工业级不在一个数量级上,作为原厂TI为客户提供了大量的可靠报告,可以让用户更放心的使用。”

几天前的特斯拉自燃事件,让电动汽车的安全性问题再次成为焦点。而随着电动车内部元件越来越多,功率越来越大,如何确保安全性成为了首要问题。“在车辆电气化过程中,我们会提供更精密、更安全、更可靠的监控和保护。”师英说道。


张磊则表示:“TI为汽车电子打造安全芯片有两层含义,一方面是指芯片本身符合Q-100质量认证标准,另外则是TI产品可以用在传感、监控和保护上,为客户提供冗余的安全保护系统。”

混动、电动汽车电池管理系统参考设计

师英先后以TI最近发布的5款产品或参考设计为例,试图说明TI是如何在可靠性、便利性、安全性、高集成性以及可扩展性等方面,助力电动汽车

TI最新发布的电池监控参考设计TIDA-01537,该方案应用于混合动力汽车/电动汽车12V至400V电池管理系统(6S至96串,可扩展至378串),支持12V、48V至400V的电池精度<1%误差,小外形20mm x 40mm解决方案,帮助设计人员支持ASIL D级功能安全。

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电池监控参考设计TIDA-01537


值得注意的是,该方案采用了TI最新推出的BQ79606-Q1精密监视器,新产品和TIDesigns是同时发布,可以让客户更快上手开发。BQ79606-Q1具有许多新特性,包括:改进了电池监控设计,集成了更多模拟IP,使得方案更加安全可靠。


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TIDA-01537所包含的TI器件


集成更多模拟IP主要是集成更多ADC,支持电压同步测量,上代产品是通过一个模拟开关和一个ADC,将16通道分别转换,而BQ79606-Q1为每个电池输入提供一个 Δ-Σ ADC转换器,支持同时测量电池电压,提供电池电压的真实快照,为充电管理算法提供更大的便利性。


与此同时,bq79606-Q1还包括一个辅助 ADC,可支持多达 6 个 NTC 的电池温度测量,并可通过内部电压轨实现针对器件的安全检查。此外也包括一个裸片温度测量 ADC,用于提供温度校正,以便在扩展温度范围内获得高精度结果。

此外,主机与 bq79606-Q1 器件之间的通信通过 UART 专用接口实现。一个支持电容器和变压器隔离的隔离式差分 UART 菊花链通信接口允许主机通过单个接口即可与整个电池堆叠进行通信。这个菊花链通信接口配置为环形架构,允许主机在通信线路中断的情况下与堆叠任一端的器件进行通信。支持多达 51 个器件的可堆叠配置(1 个基础器件 + 50 个堆叠器件,300 节串联电池)

师英表示,芯片中的电芯电压测量,温度测量以及通讯三个部分都可以满足ISO26262 ASIL D安全等级,这是整体方案达到ASIL D级别的主要依据。

而针对此方案最高仅支持6路电芯,师英谈到,这是因为电池包的模组化需求越来越灵活。“多通道数有多的好处,低通道数有低的好处,这和整个汽车的电子构架有关。除了效率、节能、安全之外,也会从成本角度考虑,不同的电池的配比需要不同的技术配置。TI一贯以来的产品都是为了给客户提供更强的使用灵活性和成本最优化。”师英说道。

除了器件和TIDesigns,同步配合一并推出的还有评估板,以方便客户即刻评估。

TMP235-Q1高精度温度传感器

TPM235-Q1是TI目前精度最高的温度传感器,高精度 CMOS 集成电路线性模拟温度传感器,其输出电压与温度成正比,设计人员可将其用于多种模拟温度检测应用中。它可以提供-40到150摄氏度工作温度范围之内±0.5摄氏度的温度测量精度。


TPM235是TI推出的集成度、线性度、精度都相当好的温度传感器,可直接连接到模数转换器采样保持输入端,凭借出色的精确度和强大的线性输出驱动器,TMP23x系列模拟输出温度传感器是具有成本效益的无源热敏电阻替代方案。Q1则是代表符合车规级AEC-Q100标准的产品,而TI大部分的车规产品都是和工业品有着相似的基因,但又是更高质量水准的产品。


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TPM235-Q1稳定的温度曲线特性


UCC21710-Q1隔离式SiC和IGBT栅极驱动器

随着新能源汽车功率不断增加,IGBT和SiC技术开始兴起,为此TI开发了UCC21710-Q1带隔离IGBT或SiC功率管的栅极驱动器,具有驱动强度高、可编程、过流响应时间短、采用更可靠电容隔离技术、最高支持12.8KV抗浪涌能力、集成输入缓冲器和过流电流传感器、带软关断和钳位的短路保护电路等多项安全举措。


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UCC21710-Q1隔离式SiC和IGBT栅极驱动器


混动、电动汽车牵引逆变器功率级参考设计

针对IGBT和SiC,TI还推出了两款偏置电源参考设计,可以更安全,更高效的驱动IGBT或者SiC。

两款偏置电源参考设计分别为:具有3种IGBT/SiC偏置电源解决方案的HEV/EV牵引逆变器功率级参考设计TIDA-020014,以及用于IGBT/SiC栅极驱动器且具有功率级的4.5V至65V输入、紧凑型偏置电源参考设计TIDA-020015。

这两个参考设计都是基于TI最新的65V输入,集成100V/1.5A FET的PSR反激式转换器LM5180-Q1,该产品具有集成开关管,隔离输出电压采样自初级侧反激式电压,因此,无需使用光耦合器、电压基准或变压器的第三绕组进行输出电压稳压,支持宽压输入,一级转换即可降低到5V输出从而提高输出稳定性,这一些特性使得该方案的设计更为简洁、同时实现了高可靠性和低成本等特性。

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TIDA-020014和TIDA-020015所涉及到的TI元器件


适用于直流快速充电,基于SiC的3相双向电源变换参考设计


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适用于直流快速充电,基于SiC的3相双向电源变换参考设计TIDA-010039具有双向功能、基于 SiC 的三级三相交流/直流转换器。50kHz 的高开关频率降低了滤波器设计的磁性元件尺寸,并因此提高了功率密度。具有开关损耗的 SiC MOSFET 可实现高达 800V 的更高直流总线电压和更低的开关损耗,具有大于 97% 的峰值效率。此设计可配置为两级或三级整流器。该系统由单个 C2000 微控制器 (MCU) TMS320F28379D 进行控制,它可在所有运行模式下为所有电源电子开关器件生成 PWM 波形。


师英介绍到,对于超级直流充电桩来说,不管是从功率还是电压、电流来讲都是非常之大,因此首要考虑的和设计挑战主要集中在安全问题上。


该参考设计支持双向电源变换,通过预留Combo协议和插口标准,为将来V2X提前做好准备,最高可支持800V直流充电及10kW的输出功率。


实际上除了超级充电桩之外,TI在三相或单相充电桩、板上充电系统等方面,都有参考系统或整体解决方案。


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与此同时,为了帮助客户实现更快的功能安全系统认证,TI也有一套SafeTI安全认证流程。产品是采用 ISO 26262/IEC 61508 认证的硬件开发流程进行设计和开发,配备安全机制,可帮助检测和防止由系统故障或随机硬件故障导致的危险故障。具有支持包括管理和缓解系统故障,检测并防止随机硬件故障以及简化系统安全认证等优势。

“我们在每个环节都谈到了安全保护,这已经是一个完备的安全保障系统。“张磊总结道。

关键字:德州仪器  新能源  电源管理  安全  传感

编辑:冀凯 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qcdz/ic461022.html
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