模块化电动汽车动力子系统

Charging an electric car
面向未来的电动汽车动力

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挑战
  • 电动汽车制造商必须满足不断增长的负载和功率密度需求,同时在成本高度敏感的市场中推进稳健发展路线图。

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解决方案
  • 模块化电源子系统具有高度灵活性,可满足各种应用需求,同时高度利用/重用模型以降低成本,确保价格竞争力。

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应用
  • 对电动汽车中的不同负载进行有效监控、控制和通信。
  • 多个电子控制单元 (ECU) 负责传感器管理、数据、接口、通信和安全保障。
  • 控制器局域网 (CAN) 总线需要电气隔离的电源。
  • 通过将下游电源轨合并到更大的电源转换器上,可以减小尺寸、降低成本并提高效率。
  • 在规划电动汽车的未来发展时,考虑采用最新的电源解决方案,以抓住经济增长机遇并提高产品适应能力。

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引言

电动汽车 (EV)制造商必须兼顾传感器、设备、计算单元、显示器、无线电、电机驱动器以及其他负载日益增长的需求,这些应用可能有各种各样的电源支持要求。除了多个电压轨之外,还需要隔离非隔离型稳压非稳压输出,并且支持宽输入电压范围。在一个每毫瓦的耗散都会直接影响电动汽车续航里程(即“燃料”使用寿命)的领域,高效率尤为关键,从而关联到对终端用户提供的价值。

更为严峻的挑战是,这些电动汽车制造商(以及提供支持的一级供应商)必须提供符合质量和可靠性标准(例如,AEC-Q100 认证))的解决方案,解决方案不仅需要严格稳健,还要确保能够适应温度波动较大的恶劣环境,同时还必须严格遵守成本控制。此外,还必须满足所有规范,并采用高度易于利用和重用模型的设计流程,确保产品开发路线图的可预测性和面向未来的稳定性。

应用案例概述

电动汽车的电源设计经理 (PDM) 必须提出电源子系统解决方案,以支持隔离型 CAN 总线、多个低功耗传感器/计算负载以及适用于大型(千瓦级)和小型(数十瓦)电机驱动的隔离栅极驱动。全球各主要市场都在颁布新的监管要求,试图减少燃油驱动汽车,以实现可持续发展。就 PDM 而言,这意味着需要加倍努力,为快速发展和以成本为导向的产品开发路线图制定策略。就电源解决方案而言,这意味着需要预制电源子系统模块,这些模块可实现标准化和商品化,但仍可以针对负载电压/功率水平的细微变化轻松进行半定制。这种思维方式也适用于输入电压侧,因为主要车辆电压总线源自电动汽车的电池包,电压可能会随着时间推移而增加,但其增加方式往往无法预测。

正当 PDM 认为他们具备可行的解决方案时,产品线经理通知说,由于开发时间紧迫,下一个产品即将推出,任何解决方案都必须高度可利用或可重用。此外,PDM 在提出长期路线图时必须仔细考虑所有因素,该路线图不易适应电源转换器输入和输出侧的主电压大小变化(即支持不同的电池包配置、不同的电机驱动,以及大多数负载随时间推移而增加的功率需求)。当然,他们还提醒 PDM 要时刻记住三大优先事项:成本、成本、还是成本!
我们正在考虑为所有 RECOM 解决方案提供现成的评估验证模块 (EVM) 板和参考设计,方便设计师可以快速轻松地将元器件放置于工作台上,他们只需对提出的电源解决方案进行分析和验证,而无需担心设计布局和外部元器件/因素可能带来的影响。通过这种方式,设计师就可以利用经过精心设计且预先通过认证的商用现货 (COTS) 电源解决方案,专注于自信审查其应用。鉴于 CAN 总线在行业中的广泛使用,RECOM 与一家顶级半导体供应商合作,共同开发了一款 CAN 总线、隔离电源参考板,设计结合了 RECOM R1SX-3.305/H 转换器和合作伙伴提供的 CAN 收发器。

考虑到一辆车需要多条 CAN 总线支持,PDM 认识到根据可用空间和预算选择多种解决方案的重要性。RECOM 为 CAN 总线应用提供了一些量身定制的选项。R05CTE05S具备高性价比和薄型封装,因此建议将其作为主力。尽管许多电动汽车的控制板空间狭小,但高度为 2.5 mm、为 CAN 总线收发器提供驱动器的 16 引脚 SOIC 封装,不会增加子组件的整体高度。此外,由于 PDM 的一位设计师需要从与 CPU 共享的 3.3 V 输入电压中获取 CAN 总线电源,因此建议使用 R1SX-3.305/H 解决方案,该解决方案已经通过了顶级半导体供应商的 EVM 认证。意识到产品灵活性和增长潜力的必要性之后,RECOM 还向 PDM 介绍了R1DX series,旨在解决双输出(正/负电压输出)、隔离解决方案(即 +/- 10 V 模拟传感器)的需求。

考虑到输出隔离要求可能因负载而异,PDM 正在探索能够提供各种功率水平、封装尺寸、效率/热范围和价位的上游非隔离型解决方案。尽管目前车辆中最常见的主电源总线电压为 12 V,但在公司的发展路线图和整个电动汽车行业都明确记录,主电源总线电压水平将提高到 24 V 以上,以适应先进的配电方案。考虑到车辆的布线数量及其如何直接关系到重量,进而影响续航里程,这一改变旨在通过降低电流来传输更多功率和/或改善增长布线路径带来的压降问题。PDM 还认识到,即使电源转换器变得更密集、更高效,系统功率预算和负载要求也只会随着时间的推移而增加。
为了满足这些需求,RECOM 工程师设计了几种专门针对输入电压范围宽且不断变化的非隔离应用而优化的解决方案。这些解决方案优先考虑高效率,并涵盖标准保护措施(SCP、OCP、OTP、UVLO),尤其是为汽车工业应用提供了既节省空间又节省成本的选项。在这一低功率领域,RPMB5.0-3.0 即插即用,集成 EMI 屏蔽,采用 25 焊盘 LGA 封装模块,并提供 15 W 功率。对于仅需要不到 10 W 稳压非隔离型电源的小型处理器、传感器和接口的子组件,RPX-1.5Q 能够承受高达 36 V 的输入电压,并在散热性能更高的 3 x 5 x 1.6 mm 紧凑型 QFN 封装中仍可提供 7.5 W 的稳压电源。无论上游选择如何,PDM 发现,仅在需要时添加根据隔离电源轨需求定制的低功率下游转换器更具成本效益,也更节省空间。

最后,PDM 面临的最大挑战之一是支持隔离栅极驱动器 的各种需求,以驱动全车使用的多种电源开关。电机驱动器(即普通逆变器)电路用于多种类型的电机,从不到 10W 的鼓风机到数千瓦的电动传动系统,以及介于两者之间许多其他类型的电机。每种应用优化电动机驱动的关键在于仔细选择和控制电源开关。传统上,低功率应用采用硅基 MOSFET,而高功率应用则采用硅基 IGBT。然而,回顾近年来(当然也是展望未来),电源开关一直在向宽带隙元件转移,例如由氮化镓 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 制成的元件。

这类要求非常常见,但设计师往往会感到苦恼,因为他们必须针对每种电源开关类型的不同栅极驱动电压要求来设计解决方案。RECOM 深深明白 PDM 所面临的挑战,也理解针对单一开关类型设计和验证隔离栅极驱动器有多么困难,更不用说上述所有问题了。因此,他们推出了一款全新的通用隔离栅极驱动器,该驱动器可以轻松针对上述任何开关类型进行编程(甚至可以灵活支持某些尚未出现的开关类型),并且使用相同的解决方案,只需要更换四个电阻器即可为每种开关类型编程适当的不对称电源电压。R24C2T25S 支持所有 24 路输入,使其与现有 12 V 主电源总线电压和下一代 24 V 主电源总线电压兼容。

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