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Dirk Zuendorf
Senior Staff Engineer

在动力总成电气化的各种变化中,轻型混合动力(MHEV)市场预计将在未来以高速率增长,因为48V电源网络的实施将具有显著的成本效益。另一方面,增加的48V电源网络也要求对其ECU设计和安装在其上的半导体有新的要求。主要要求为12V和48V电源的共存,并且需要证明它们在各自的电源网内以及相互之间的电源网之间正常工作。瑞萨开发了概念验证板(PoC),以识别和验证这些系统级要求。我们已经开始开发符合VDA320,ISO21780和ISO16750标准的用于评估和新IP验证的测试芯片。这些评估的结果将应用于目前计划中的48V栅极驱动器单元(GDU)系列产品的开发。

MHEV市场与应用

动力总成的电气化对于实现日益严格的CO2排放指标至关重要。 xEV分为几种类型,包括电动汽车(BEV),插电式混合动力汽车(PHEV),全混合动力电动汽车(FHEV)和轻度混合动力电动汽车(MHEV)。
如下图1所示,从电气化的发展方式来看,MHEV具有很高的增长率。Strategy Analytics预计,MHEV从2018年到2025年的复合年增长率为32%。MHEV市场将首先在欧洲和中国占主导地位,其次是美国。预计到2025年,将增长至欧洲350万辆、中国240万辆和美国230万辆。

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xev-market-and-mhev-market-by-region

图1:地域别xEV市场和MHEV市场

MHEV配备了额外的小型电动机,可以低成本并且便捷的集成在现有ICE(内燃机)上。大多数MHEV采用48V系统。在48V系统中已经实现了诸如BSG / ISG和辅助应用等12V应用,并且在可预见的将来,更多的12V应用将移植到48V系统中。图2显示包含牵引电动机、发动机、辅助应用等在内的48V MHEV和48V电动机控制应用,预计将会持续增长至2030年。辅助应用的份额将约为45%,其中包括有油泵,水泵,压缩机,涡轮增压器等。

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图2:48V MHEV和48V电机应用需求预测

48V系统的优点

48V系统的主要优点是它能够存储在各种驾驶情况下(例如制动和惯性驾驶)损失的能量,并使用该能量来获取动力(例如负载驱动)。这种所谓的再生能源可节省约10%至15%的燃料,并减少CO2排放。通过将这种再生能源存储在48V电池中,可以获得减少负载电流的派生优势,有助于降低功率损耗,减轻线束的重量和成本,并提高效率。

新要求和挑战

引入48V系统(称为48V电源网)要求符合12V / 48V电源网组合的多个标准,如VDA320、ISO21780、ISO16750、LV148等。这些标准化活动主要由欧洲OEM和Tier1领导。 为保证12V板网和48V板网共存,需满足一些特殊要求,除了抗高压能力外,还需要在12V和48V电源上实现域间隔离。
当前,与48V电源系统兼容的半导体组件的数量有限,因此有必要使用许多分立组件才能在48V ECU中实现所有必需的功能。例如,用于48V辅助应用的现有解决方案由或多或少的分立组件组成,从而导致非常高的BOM成本。

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图3:48V电机控制系统的电流解决方案

瑞萨解决方案

瑞萨开发了48V测试环境,这是一个针对48V辅助应用(尤其是48V电机控制应用)的PoC解决方案。它考虑了可配置的12V / 48V域隔离,如双电源、感应、监视/诊断功能等必要功能。主要目标是确定48V半导体组件的系统级要求以及遵循VDA320,ISO21780和ISO16750等标准时面临的主要挑战。

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48v-proof-of-concept-solution

图4:48VPoC解决方案

在PoC板中配备了以下几款瑞萨的汽车芯片产品和其他组件:

  • RH850/C1M-A2: 专门用于EV / HEV应用的32位微控制器
  • RH850微控制器的电源管理IC RAA270000RAA270000
  • 半桥驱动器 ISL78434
  • 100V ANM2功率MosFET RBA250N10
  • 电感式Sin / Cos高速旋转位置传感器 IPS2550
  • 单路输出降压控制器
  • 用于电源转换的隔离式PWM控制器 ISL78215
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48v-proof-of-concept-solution-block-diagram

图5:框图

此PoC解决方案的主要目的是确定48V系统的半导体组件的系统级要求,并确定在满足测试标准(例如VDA320,ISO21780和ISO16750)方面面临的挑战。瑞萨已经基于这些标准构建了48V测试环境,并且已经开始进行评估,评估结果和获得的问题对于开发测试芯片也很有帮助。

预计将在各种辅助应用中部署48V系统,但考虑到支持它们的半导体组件数量有限,同时引入48V电源网络时会出现各种技术问题。瑞萨目前正在为48V系统开发新的栅极驱动器产品系列。在这些产品系列中,电机控制系统所需的功能将集成到IC中,并且将列出所有带或不带电流隔离的衍生产品具有成本效益和创新性的隔离概念有助于符合VDA320,ISO21780和IS016750。另外,通过整合电动机控制所需的功能,简化了组件安装,可望减少BOM成本和PCB空间,并且可通过将ECU集成在电动机壳体内来使系统小型化。可以将强化的监视,保护和诊断功能集成到栅极驱动器中,以提高功能安全级别。另外,通过以模块化的方式将功能集成到栅极驱动器中,可以将每个栅极驱动器作为针对每种应用的优化解决方案来提供,从而缩短了客户进入市场的TAT。

瑞萨计划将PoC解决方案中现有的栅极驱动器替换为正在开发的48V栅极驱动器产品,并在将来与演示软件一起将其作为48V辅助应用的参考设计。作为一种“easy to use”的解决方案,我们相信我们可以为客户在缩短新ECU设计时的开发周期上做出贡献。 感谢您的关注。

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