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特斯拉自燃引发担忧:汽车电子需要怎样的安全设计?

目前,汽车电子已成为继智能手机之后的电子产业下一个强有力的增长点。但是,特斯拉、蔚来汽车自燃事故的频发也引起了业内的广泛关注。汽车电子化/电动化的设计过程中存在安全、节能等各种挑战。

目前,汽车电子已成为继智能手机之后的电子产业下一个强有力的增长点。但是,特斯拉、蔚来汽车自燃事故的频发也引起了业内的广泛关注。汽车电子化/电动化的设计过程中存在安全、节能等各种挑战。为此,日前ASPENCORE旗下电子工程专辑、国际电子商情和电子技术设计联合举办了第19届电源管理论坛——重点聚焦电动汽车的快充和新功率器件技术——邀请到业内知名的半导体厂商,共同探讨了目前业内都有哪些好的解决方案以及他们又有哪些好的建议。

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SiC驱动在11kW OBC中的应用

鹏源电子的技术总监张亮带来议题“SiC驱动在11kW OBC中的应用”。他指出,SiC器件适用于高压、高频、高温场合,总的来说可以提供更高的电压、更低的损耗和更高的效率,在同样的效率下可以提高开关频率,减小无源器件体积,提高设计的功率密度。

他介绍说,电动汽车充电系统有以下发展趋势:

  1. 大功率。电动汽车电池容量越来越大,对充电速度和功率要求越来越高。然而,市场上主流的6.6kW充电器对于单相交流电输入时已到极限。我国对单相交流电规定,最大输入电流是32A,对于220V来说也就是7kW左右。因此6.6kW对于单相电来说已是极限。要想提高充电器功率,充电机需要支持三相输入。
  2. 续航里程增加,意味着电池容量要提高。车的体积会被电池占据大部分,留给其他电驱等设备的空间越来越小。而SiC适用于更高开关频率,降低车载充电器的设计体积,便于提高效率,减轻车载重量。
  3. 智能充电,有几种应用场景。现在的电动车,电池容量越来越大,例如55到85kWh。如果考虑到数以百万千万台电动车的体量的话,可以形成巨大的储能单元,即既可以作为负载,也可以作为能量源。这对电网可以起到削峰填谷的作用。电池也可以实现家庭断电应急。电动车最担心的就是没有电。如果充电器可以设计成双向的话,就可以彼此作为备份。那么,若行驶在高速路上没有电了,朋友的车可以帮忙充电,让你开到另一个充电点。针对这样的应用场景,车载充电器就有双向充放电的需求。

针对上述要求,鹏源制定了11kW车载充电器的设计规格,兼容三相和单相输入,支持双向充放电。

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系统设计框图如下:

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为什么在这样的拓扑里,碳化硅是更优化的选择?张总指出:

第一,三相输入PFC的母线电压会到650V~750V,这会让MOS管的电压应力至少到1000V,然后再算上裕量,可能需要选用1200V开关。

第二,电路在充电时等效于一个同步boost,放电时等效于同步buck。很少有人做同步整流的方案,因为它面临二极管反向恢复问题。选用SiC相比Si MOSFET或CoolMOS等开关可以降低反向恢复损耗。

以下是设计结构图和实物图:

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隔离产品在电动汽车的应用

芯科科技(Silicon Labs)高级现场应用工程师罗明华带来“芯科科技隔离产品在电动汽车的应用”议题,他介绍说,隔离产品应用广泛,用于实现输出跟随输入,原边和副边没有电流流过。市面主要的隔离技术有光隔离、变压器或磁隔离,以及电容隔离。

为什么需要隔离?

  1. 安全。例如动车从2kV高压电线上取电。如果动车设备出现故障,导致这个高压电传递到任何的人机界面上,就会出现人身安全问题。
  2. 设备的原副边和地之间需要抗干扰性能。
  3. 消除噪声。

他表示,光隔离是最早的隔离技术,迄今为止用了三四十年,所以有广泛客户基础。但是随着一些标准和应用场景的变化,光隔离可能难以满足要求。光耦存在光衰问题,几十年后可能导致信号源为高电平而被错误地判定为低电平。另外,光耦的填充介质是高分子材料,会有较高的寄生电容,导致共模瞬态抗扰度(CMTI)较弱。

磁隔离是个线圈,包含三个部分:输入、输出、变压器。它的成本不太有优势,变压器的绕制会有成品率的问题。变压器相当于天线,在EMI和EMC方面会有难度。

磁隔离所采用的绝缘介质是常见的二氧化硅,非常稳定,缺陷率低,绝缘强度高。

下面来看电动汽车发展趋势。

48V轻混系统是基于现有的架构加了一个48V系统。这样可使CO2排放量减少25%。但超过36V安全电压就会有安全隔离要求。因此在48V和12V之间需要采用隔离。

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他透露,特斯拉之所以选用芯科的电容隔离技术,是因为光耦有光衰/漂移问题,不太适合汽车的严苛要求(-40℃到+125℃,以及EMI/EMC问题)。

汽车级产品隔离挑战如下:

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Silicon Labs的隔离产品有四大类。数字隔离器适用于各种总线应用,如I2C、RS-485、CAN等。模拟隔离器/隔离式ADC用于模拟信号的采样,包括电压和电流采样。隔离栅极驱动器用于IGBT驱动。

他透露,一辆电动汽车上至少会用四五十个隔离器件,而特斯拉上用到了该公司二三十个型号。

在汽车上,CAN总线用在不同的电源领域,需要进行信号隔离。OBC上有些地方要求进行电压或电流采样,也需要用到隔离器。BMS以前采用主动均衡,而使电池的利用率提高。现在由于竞争激烈,有些厂商开始采用被动均衡(菊花链的方式)。这也需要用到隔离产品。电机驱动MCU和电机之间以及通信也需要进行隔离。

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电动汽车该选怎样的电容技术?

基美电子(KEMET)NBD & Technical Sales范为俊带来的主题是“KEMET products & Solution for EV (OBC, DC/DC, Converter) ”。他首先介绍说,钽电容占到基美电子销售额将近一半,该公司市场份额也是占到全球第一。钽电容包括普通和聚合物两种。聚合物是以后的趋势。基美电子在2013年也推出了车规聚合物产品,包括更高温(175℃)的产品。

在MLCC方面,日系厂商占到很大份额,基美的产能只占到2到3%,但是在细分市场,特别是汽车市场,基美可以排到第三。

薄膜电容在汽车OBC和DC/DC中广泛应用,例如直流支撑、谐振、交流滤波等。另外,该公司还有电解电容、电感、压电传感器和促动器(actuator)等产品。

他介绍,钽电容有两种技术,第一种是MnO2,俗称黄钽,有五六十年历史了,已经进入衰退期。第二种是聚合物,现在处于上升趋势,销售额已超过黄钽。

钽电容贵,贵在钽粉,它是从钾盐中提炼出来的,产量非常的少,见下图。

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黄钽和聚合物钽的区别在于负极材料。后者是高分子材料PEDT,优势是:

  1. 可防爆,从而打消在汽车中使用的疑虑。
  2. 电压高。黄钽只能做到50V,加上降额要求,比如降低一半,则只能用在25V以下的电源应用。聚合物钽可以做到75V,如果留出10%到20%裕量(汽车上可以多留点),则可以用于48V甚至60V应用。
  3. 能量密度大。对于25V应用,黄钽最大只能做到15μF,而35V聚合物产品可以做到100μF。PS:电解电容寿命和高度是它的弱项,和MLCC比,钽电容容量肯定更大,并且没有材料本身的噪声问题。

钽电容的主要应用是DC/DC,例如服务器应用需要将48V电压转换成12V/19V/24V,再转换成更低的电压,例如3.3V、5V等。

下面是钽电容在ADAS辅助驾驶中的应用。

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精密功耗测量、快充及电池性能分析和模拟

是德科技电源及精密产品部技术专员吕宝华探讨了“精密功耗测量、快充及电池性能分析和模拟”议题。

他指出,续航里程的决定因素包括电池电量以及设备耗电量两个方面。因此,业界在努力研究更低功耗的材料、器件以及设备。电池厂家也在研究更高密度、成本更低、充放电更灵活的电池技术,包括安全以及充放电倍率等。另外,在电池电量补给上也在研究快速充电和无线充电技术。

我们如何精确快速地测量动态功耗?下面的例子是个智能手表,包括待机、计步、蓝牙连接、音乐等耗电状态。这些状态的测量用功率计就可以解决吗?

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不管是无线设备、物联网还是电动汽车,它们都存在类似的耗电测量挑战,即:

  1. 要测量功耗即测量电流(因为是恒压源),然而电流的垂直刻度(大小)从μA、nA到mA甚至A变化,即动态范围很大。
  2. 脉冲时间很短,甚至达到ms级以下。
  3. 长时间测试需要捕捉数小时、数天甚至数月内的所有脉冲。

这需要使用直流电源分析仪进行测试。它的特点如下:

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快速充电技术是智能手机首先提出,然后拓展到电动汽车应用。电池是否适合快充,需要了解它的充电特性(能长时间保持高压差才能符合要求,例如容量达到90%时仍能维持一定压差)。

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另外,DC/DC转换器效率测试的工作量很大,因为要做效率的扫描。是得推荐采用电源分析仪或模块化电源系统进行测试。

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红外热像仪测不准的原因以及如何规避

福禄克公司应用经理罗海涛带来议题“热像改变您的工作,红外热分析技术交流”。他表示,红外热像仪可以让电源设计工程师非常容易找到电路中哪些部分的温度需要改善,需要加散热器件来处理。但是要想用热像仪准确测量温度,还有一些小窍门。

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要得到清晰准确的热像图,其实很简单,即对焦。热像仪有四种对焦方式:激光自动对焦、自动对焦、手动对焦和免调焦。金属会产生反射,玻璃等激光能穿透的物体会使对焦准确性下降,这些问题需要注意。

自动对焦对于距离比较远、激光自动对焦辨识不到的现场,用这种方法比较好。自动对焦在使用时应尽量将目标放在中心位置。

手动对焦类似早期单反的手动对焦,适用于近距离和精密对焦的现场,特别是安装微焦镜头的情况下。

下面这个实验比较有意思。用热像仪测不锈钢杯子的温度,上面贴了两个胶带,万用表显示的真实温度为74.7℃,与热像仪所测得的胶带温度相一致,而热像仪测得的杯底温度却是36.4℃。这是什么原因造成的?发射率。非金属材料(例如胶带)的发射率通常是0.95,不锈钢的发射率只有0.5不到。这个问题可以通过涂漆法、绝缘胶带法、导热硅脂法或空腔效应法(即在金属上打孔)来规避。

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另外,红外热像仪一般只能看到目标表面的温度分布,而不能看到密闭空间内部。那怎么透过密闭外壳看到内部呢?下面这个实验当中,若观察窗是玻璃或铝板材质,则不能看到后面燃烧的蜡烛。要能看到里面的情况,可以采用特殊材料来做红外测温窗口,例如氟化钙等。

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车规保险丝、压敏电阻设计还有这些小秘密

美国力特(Littelfuse)公司高级应用技术工程师蒋浩峰探讨了“节能且高可靠的电动汽车解决方案”。他一开始就以特斯拉自燃爆炸事故为例,表达了汽车安全的重要性。

电动车存在各种保护需求,包括BMS、电池包、充电部分、MCU、DC/DC等。在充电部分,车载充电器由3.3kW、6.6kW向20kW发展,车外充电最大可以去到100kW,他指出。

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车载产品需要满足车规标准,但保险丝一直以来没有标准。Littelfuse作为AEC的成员,现在也在参与标准的制定。类似电阻电容的标准,该公司制定了一些保险丝的测试标准。

汽车环境其实对保险丝要求很高,例如汽车有振动、寿命的要求。传统保险丝是丝和两个端子焊接起来,这在车里面就有个问题,振动会导致焊锡断开。因此,Littelfuse的车规保险丝是不采用焊锡方式,而是采用卡接方式。另外,传统保险丝为了提高防爆能力,会加入石英砂,但这对于汽车应用而言,振动会导致石英砂和保险丝摩擦,从而带来问题。Littelfuse的车规保险丝虽然也会加入石英砂,但是经过了特殊处理。

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OBC中采用的压敏电阻(MOV)会衰减老化,如果性能降低后继续使用会炸开,严重的情况下会断路起火。原因是它外面包裹的聚合物材料。不包这种材料又会有安规问题,绝缘强度不够。压敏电阻的另一个问题是耐温不够。以前所用压敏电阻耐温通常是85℃,现在Littelfuse的产品可以做到125℃。另外,压敏电阻起火需要做保护。传统的方法是在附近放一个热敏电阻。这样做,一是不能过波峰焊,需要手工焊;二是不可靠,因为可能有气流存在。该公司有一种产品叫TMV,贴在压敏电阻旁边使用,能够保证其100%不起火。

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另外,Littelfuse还有车规级的SiC MOSFET和二极管以及TVS等产品。SiC产品最高做到1200V,后续也会推出各种封装形式。CAN总线应用也有各种防静电、防浪涌产品。

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新能源汽车BMS及功能安全

中电港高级技术顾问印宁华探讨了“新能源汽车BMS及功能安全”议题。他介绍说,中电港有三大核心业务。一是设计链服务,包括萤火工场、嵌入式应用中心和研发应用中心。二是元器件分销,也是最核心的业务。三是供应链服务,包括物流、垫资、仓库、保税等。

今天所分享的是萤火工场电源应用中心的BMS项目,具体应用如下。

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纯电动车的发展很平稳,去年稍微放缓一些,但国家新能源汽车的趋势一直向前走。在特斯拉和蔚来相继失火后,大家也就新能源车的方向、国家的补助是不是会发生变化等问题在微信群里进行了热烈的讨论,他谈道。但无论如何,新能源汽车采用的是电机驱动,可以避免一些早期的燃油发动机专利(例如ABB的专利),因此我们可以借此弯道超车,另外从国家战略考虑,也可以避免石油能源卡脖子。从这个角度讲,发展电动车是未来的一个方向。

新能源汽车的“三电”包括电机、电池、电控。BMS是指对锂电池进行实时监控和管理的系统,主要功能如下。

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下面来看下中电港的BMS方案都有哪些。MC33771/2模拟前端最早前是来自飞思卡尔的方案,现在叫NXP方案。前者可以支持14-16串电池,后者可以支持4-6串。

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这个AFE采用菊花链的方式进行级联,然后通过变压器和收发器进行级联隔离。虽然RC的方案相对变压器简单,成本具有优势,但共模抑制能力比较差,所以RC通常用于消费类,例如扫地机器人或便携式应用上。而汽车应用具有很强的电磁辐射,因此需要采用变压器来抑制共模噪声。

都说核心带动周边。印工重点分析了MPC57系列MCU。“它采用POWERPC架构,是MCU行业里安全等级最高的,”他介绍说,“但由于这个架构没有后续,中电港也会慢慢转换到NXP的S32K系列。”

至于CAN、SPI、I2C等总线,实际应用中需要加隔离。CAN收发器、继电器驱动等也需要做隔离、绝缘——特斯拉和蔚来自燃现象,是不是金属挡板和BMS的绝缘受到破坏,产生比较大的短路电流?

下面这个做好的pcbA有很多重点客户在用。右边是模拟前端的放大图,除了飞思卡尔的方案外,还有美信、瑞萨/Intersil的方案可供选择。他指出,MCU是这块板子的核心,而做车规级的产品,不管AFE用的是哪家的,MCU一定都是飞思卡尔的。

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他强调,汽车功能安全硬件开发需要符合ISO26262以及AEC-Q100/200等。在软件开发方面,新能源汽车开发系统架构AutoSAR现已越来越流行。中电港也对此提供培训(萤火学堂)。

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AutoSAR软件分层及模块标准化功能安全设计为芯片供应商/方案设计商/整车厂带来了联合设计的可能,并具模块复用高性价比功能、VFB(虚拟功能总线)及运行时环境(RTE),使得ECU应用层与基础软件层(BSW)无需映射优化就可实现软件组件(SWC)间和SWC与BSW的数据畅通交互。对动力单元的管理使其提升为新能源汽车的神经中枢等成为行业热点。

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另外,对于笔者现场提问,中电港在原厂的基础上提供哪些增值服务?印工表示,针对不同的应用,原厂只是提供前端,我们要加隔离、加驱动,实际上是整套的解决方案。这个方案要涉及到硬件以及软件,例如SoC电量检测等,里面对各种场景要调整自己的软件。这个软件是我们的核心技术,我们有个大咖,叫张工,很有名气。

对于“中电港开发出来的板子怎么针对场景做测试”的问题,印工回答说,我们不能完全孤立地做一个拍脑袋或靠做PPT出来的电路图。我们要根据客户电池的容量/功率等,把我们的板子加到他们的电池上去做实际测试,例如通信电源/储能电源,要加上去跑一两个星期看有没有故障。另外,对于汽车厂来说需要驻厂。我们有几十家新能源整车厂的案子,都是联合设计,包括我们debug程序,都是全面的测试。

原创
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赵明灿
电子技术设计(EDN China)资深技术分析师。
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