汽車電氣化如何促進電壓板網的演進 德州儀器提出解決方案

德州儀器系統架構師Arun Vemuri、汽車動力部門經理Karl-Heinz Steinmetz針對汽車電氣化如何促進電壓板網的演進提出解決方案。

隨着自動駕駛功能的發展以及舒適性、便利性和資訊娛樂功能的普及，車內電能的需求不斷增加。現今的汽車有愈來愈多的感測器、致動器以及讀取感測器並控制致動器的電子控制模組 (ECU)。同時，混合動力汽車和電動汽車的需求不斷增加，能源效率成爲重要的設計目標。畢竟，提高效率可增加車輛的行駛里程。

爲了提高電源效率，汽車設計工程師在汽車中採用高電壓板網。使用較高電壓的板網不僅有助於減輕車輛的整體重量 (例如，減少線束重量)，也不需要進行電壓電平轉換，因爲較高的電壓可以直接對致動器供電。

雖然使用單一高電壓板網似乎是最好的，不過由於不同致動器和 ECU 的功率要求不斷變化，實際上汽車系統設計工程師會在車輛中安裝兩到三個電壓板網。本文將探討汽車設計工程師在下一代汽車架構設計中會考量的電壓板網。我們也會讓您一同瞭解關係產品及資源，以協助您解決各種不同板網相關的技術問題。

依據國際標準化組織 (ISO) 7637-2 和 ISO 16750-2 標準的規定，傳統12 V 板網的電壓範圍很廣。雖然以內燃引擎車來說，這些需求不會改變，但若是在混合動力汽車和電動汽車中使用 12 V 電壓，將可以降低最大電壓值，尤其在 12 V 匯流排沒有交流發電機的情況下，也就是當12 V 板網所需要的電源皆來自將高電壓轉換爲 12 V 的高效率 DC/DC 轉換器，在這種情況下，較低輸入的電壓調節器將可用於導入 ECU 中的電源管理解決方案。

設計工程師可以自由搭配系列汽車規格產品，解決12-V板網供電的控制模型上各式不同技術問題，產品包含電源管理、放大器、收發器、引擎驅動器及智慧電力開關。

48-V板網通常用於需要高電力的電力負載中。由48 V電壓供電的具體負載依不同車輛類型而定。無論何種模組，連接到48-V板網的控制模組皆需要有效率且有高電力密度的電力管理裝置，並且需可承受ISO21780中規範的指定操作電壓。若ECU同時與12-V板網連接，這些模組則需要功能隔離。有效率的多階48-V閘極驅動器需有功能安全機制來驅動像皮帶驅動啓動電機或HVAC AC 壓縮機模組的48-V 致動器。功能安全機制的需求引發了加裝診斷線路的需求，譬如偵測負載電流。安裝48-V 電力板網也會需要透過48-V電池管理系統達到有效率的、精確的負電狀態及健康狀態管理。

爲了增加48 V板網系統的效率、提高其電力密度並達到功能安全，設計工程師可以運用像降壓穩壓器、三段式閘極驅動器和電池管理系統等產品，並配合各式電流及伏特擴大感應器使用。

電動汽車的電池系統產生的電壓比一般車輛高上許多。牽引逆變器及HVAC AC壓縮機模組等高電力負載是由高電壓板網直接供電。這意味着用來驅動這些高電壓負載的電功率需能承載高運作電壓並且需要共模瞬變抑制（CMTI）。此外，密集地導入解決方案需要高電力密度閘極驅動器及電功率。使用多個電板網也需要在控制模組中區隔低電壓及高電壓區域以確保正常運作。高電壓的使用可能會需要的設計不僅需能滿足電力安全需求，也會需要令人滿意的功能安全。後者將導入有診斷特徵的功能變得必要，導致這些系統中電流、電壓和溫度偵測解決方案的追加。此外，能進行精確的負電狀態及健康狀態管理，並且能維持良好電池均勻度的高效能高電壓電池管理系統也是必要的。

高電壓閘極驅動器、電池管理系統、電力及訊號阻隔器及高速擴大器皆爲廣泛系列產品中，設計工程師可以選來優化，並且在高電壓控制模組中解決效能、電力密度、功能安全和可靠度挑戰的產品。

汽車設計工程師可以爲12-V、48-V和高電壓的板網選擇一系列類比和嵌入式半導體裝置。這些電源軌爲設計具有高效率 ECU 的車輛架構提供彈性，而且有助於實現功率密度、可靠性和功能安全性設計目標。