- 電動(dòng)汽車對(duì)鋰電池組安全的挑戰(zhàn)
- 高電壓系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車安全的挑戰(zhàn)
- 采用更為精密安全的電池檢測管理芯片
- 采用高電流、高電壓IGBT
在汽車行業(yè)的發(fā)展方向上，電動(dòng)汽車(EV)和油電混合動(dòng)力汽車(HEV)正成為一個(gè)明顯的趨勢。從技術(shù)角度來說，目前更為可行的是混合動(dòng)力。混合動(dòng)力汽車是指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力來源——熱動(dòng)力源(由傳統(tǒng)的汽油機(jī)或者柴油機(jī)產(chǎn)生)與電動(dòng)力源(電池與電動(dòng)機(jī))的汽車。這樣汽車的動(dòng)力系統(tǒng)可以按照整車的實(shí)際運(yùn)行狀況靈活調(diào)控，幫助發(fā)動(dòng)機(jī)保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與尾氣排放。
對(duì)于終端消費(fèi)者來說，混合動(dòng)力車型已經(jīng)得到越來越多的認(rèn)可。從最早進(jìn)入大眾視線的豐田普銳斯開始，本田思域、福特翼虎、寶馬混合動(dòng)力X6、凱雷德混合動(dòng)力版、保時(shí)捷混合動(dòng)力版卡宴、雷克薩斯RX450H等，以及一些國產(chǎn)混合動(dòng)力車包括奇瑞A5、長安杰勛混合動(dòng)力車、比亞迪F3DM等等，都逐漸進(jìn)入了市場。但是，對(duì)于半導(dǎo)體廠商來說，還有兩大挑戰(zhàn)是需要長期研究的課題。
挑戰(zhàn)一：對(duì)鋰電池組安全的群體性擔(dān)憂
細(xì)數(shù)2009年幾大車展上的EV及HEV，其中一個(gè)明顯的趨勢就是采用了鋰離子電池來替代鎳氫電池，且業(yè)界普遍認(rèn)為鋰離子會(huì)在2015年時(shí)占據(jù)市場主導(dǎo)地位。然而考慮到鋰離子電池自身的不穩(wěn)定性，需要精心的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的監(jiān)測方案來確保安全工作。例如電池過壓會(huì)引起電池溫度的迅速升高，引發(fā)燃料泄漏的過熱失控狀態(tài)。
“縱使鋰離子電池在尺寸、重量、再充電速度、壽命周期和抵抗存儲(chǔ)器效應(yīng)方面都具有突出的優(yōu)勢，但是它們?cè)谶^充狀態(tài)或深度放電過程中往往會(huì)發(fā)生過熱現(xiàn)象。因此，在鋰離子電池的使用中，保護(hù)和安全功能是極為重要的。”Atmel高壓產(chǎn)品線高級(jí)行銷經(jīng)理ClausMochel指出。Atmel的鋰離子電池管理芯片組ATA6870/71集成了熱插拔功能、6個(gè)截止頻率低于30Hz的集成式模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)可堆疊的微控制器電源，省去了外部濾波器，較同類解決方案需要的外部組件更少。
凌力爾特公司信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品產(chǎn)品市場經(jīng)理BrianBlack也持相同觀點(diǎn)，“混合動(dòng)力型汽車與使用汽油的傳統(tǒng)汽車的不同之處在于混合動(dòng)力型汽車使用一個(gè)大型電池組。這個(gè)電池組必須仔細(xì)管理，以最大限度地延長車輛的可行駛距離、電池組壽命、以及當(dāng)然還有系統(tǒng)可靠性和安全性。”每個(gè)鋰離子電池組一般都由串聯(lián)連接的電池單元并聯(lián)組合而成，這樣產(chǎn)生的電池組將有數(shù)百伏電壓，放電電流可能超過200A。使用鋰離子電池增加了電池管理系統(tǒng)電路的復(fù)雜性和所需的精確度。
針對(duì)需要多種電池管理功能的應(yīng)用，理想的解決方案是可執(zhí)行電池測量、故障檢測、溫度測量和電池容量平衡的集成式電池監(jiān)視器。LTC6802能測量多達(dá)12個(gè)單獨(dú)的電池，幾個(gè)LTC6802可以疊置，用來測試>1000V的系統(tǒng)。在電池管理系統(tǒng)中，LTC6802完成繁重的模擬功能，將數(shù)字電壓和溫度測量值傳送到主處理器，用于充電狀態(tài)計(jì)算。LTC6802的高準(zhǔn)確度、卓越的噪聲抑制、高壓容限和廣泛的自診斷功能使其非常堅(jiān)固和易用。其高集成度意味著，與分立組件數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)相比，客戶可以節(jié)省大量成本。
由于HEV通常需要數(shù)百節(jié)電池串聯(lián)供電，故障引起的后果是嚴(yán)重的：一節(jié)電池的故障可能會(huì)造成整個(gè)電池組的燃燒或爆炸。通常的保護(hù)電路大都采用多個(gè)3或4通道故障監(jiān)測器，并且在監(jiān)測器與模擬電路及無源器件(電阻、多路復(fù)用器等)之間采用昂貴的電流隔離器。美信的MAX11080具有12通道故障監(jiān)測器，采用專有的電容隔離式菊鏈接口，大大減小了元件數(shù)量。這種獨(dú)特的架構(gòu)允許連接多達(dá)31個(gè)器件至串接電池組，對(duì)多達(dá)372節(jié)電池進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)，基于電容的接口提供了成本極低的電池組間隔離，消除了級(jí)聯(lián)電氣故障。由于省去了昂貴的隔離元件，美信的方案比分立方案節(jié)省75%的空間，將典型的電池管理系統(tǒng)成本從250美元降低至50美元。此外，MAX11080具有業(yè)內(nèi)最高的精度、極低的功耗、集成的安全和自診斷功能、以及多個(gè)可配置功能，有效解決了大容量電池組安全監(jiān)控相關(guān)的問題。
相對(duì)于傳統(tǒng)汽車電源而言，混合動(dòng)力汽車的電源功率更大，電壓更高。“對(duì)于電源管理而言，需要管理的對(duì)象不是單個(gè)電源，而是由電池單元串連和并聯(lián)之后的大規(guī)模電池陣列，由于電池單體在生產(chǎn)的差異性導(dǎo)致給電源管理帶來很大的工作負(fù)擔(dān)，需要對(duì)每個(gè)電池單元的健康狀況進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。”英飛凌科技(中國)有限公司汽車電子業(yè)務(wù)部高級(jí)市場工程師曹洪宇補(bǔ)充道，“另外在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中也要很好的處理突發(fā)的功率需求和剎車能量回饋帶來的沖擊。安全＋響應(yīng)速率就決定了系統(tǒng)的成敗。”[page]
由于鋰離子電池對(duì)過度充電和深度放電非常敏感，在這些情況下它們都有可能燃燒或爆炸。Atmel公司的次級(jí)保護(hù)器件ATA6871提供了一種特殊的安全策略，監(jiān)控電池單元的電壓和溫度，防止鋰離子電池發(fā)生熱失控或爆炸。一旦電池單元發(fā)生上述其中一項(xiàng)異常情況，便會(huì)通過緊急繼動(dòng)裝置予以關(guān)斷。ATA6871帶有無需外部微控制器或軟件就能夠運(yùn)行的內(nèi)建自我測試程序，以及由硬件實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控閾值，能夠提供安全級(jí)別最高的鋰離子電池監(jiān)控功能。即使初級(jí)器件被損壞，也可以確保正常的運(yùn)作。
對(duì)鋰電池組安全的群體性擔(dān)憂，促使業(yè)界研發(fā)更為精密安全的電池檢測管理芯片，汽車半導(dǎo)體廠商不斷地推出新的電池管理和功率解決方案，力圖在確保安全的前提下延長電池的壽命，并降低成本、體積和重量。
挑戰(zhàn)二：掃除高壓電氣系統(tǒng)的障礙
HEV設(shè)計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是高電壓。傳統(tǒng)轎車使用的是12V的電源系統(tǒng)，而輕度、全面及插電式HEV卻需要600V到1,200V之間的高電壓電子系統(tǒng)，這使設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。
“HEV最重要的革命性改變是動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化，它要求大動(dòng)力的電動(dòng)引擎，并且必須在比標(biāo)準(zhǔn)12V內(nèi)燃引擎推動(dòng)的汽車更高的電壓下運(yùn)行。另外，HEV的電池和能源管理是基于12V和一個(gè)數(shù)百伏的高電壓電池的雙電網(wǎng)，以及對(duì)汽車領(lǐng)域來說屬于嶄新設(shè)計(jì)的DC/DC轉(zhuǎn)換器和功率管理方案。”國際整流器公司(IR)汽車產(chǎn)品副總裁及總經(jīng)理HenningM.Hauenstein博士指出：
HEV的汽車結(jié)構(gòu)需要使用高電壓。因此，功率管理IC必須承受典型600V的電壓水平，在一些大馬力的HEV型號(hào)中更可能要承受高達(dá)1,200V的電壓。IR有為輕型混合動(dòng)力汽車提供先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，而那些在10-15kW范圍的動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)，通常會(huì)使用擁有600V能力的產(chǎn)品。至于全混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力汽車，以及那些電機(jī)高達(dá)，甚至超出100kW的電動(dòng)汽車，IR有高達(dá)1,200V的開關(guān)和驅(qū)動(dòng)IC供應(yīng)。
相關(guān)的功率IC除了需要高達(dá)600V到1,200V的高電壓能力外，也需要驅(qū)動(dòng)逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器中前所未見的電流密度的開關(guān)。功率IC要面對(duì)這樣的高功率、高電壓以及高能源，就要以堅(jiān)固耐用、可靠性和安全作為主要的條件。Hauenstein博士表示，“IR非常重視電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的保護(hù)功能，例如它們?cè)贖EV牽引電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障和短路時(shí)，免除了微型控制器的互動(dòng)需要。我們是業(yè)界率先為負(fù)電壓尖峰免疫性引入安全操作區(qū)指標(biāo)的公司，因?yàn)檫@個(gè)問題在HEV逆變器中，開關(guān)高電流、高電壓IGBT時(shí)十分常見。”
IGBT位于逆變器中，為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供能量。英飛凌IGBT技術(shù)可為HEV動(dòng)力系統(tǒng)帶來諸多優(yōu)勢。溝槽場終止技術(shù)可降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，同時(shí)可使尺寸縮小30%。英飛凌結(jié)合溝道場終止IGBT(絕緣柵雙極晶體管)技術(shù)和Emcon二極管技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的HybridPACK1功率模塊用于輕度混合動(dòng)力汽車；HybridPACK2則完全混合動(dòng)力汽車應(yīng)用。
幾年前，汽車中的功率器件大多數(shù)都是55V到60V的MOSFET，主要用于汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)?，F(xiàn)在的汽車則采用20V到600V的功率器件。對(duì)于動(dòng)力轉(zhuǎn)向及制動(dòng)這類應(yīng)用，開發(fā)工程師正在尋找具有低導(dǎo)通阻抗的高性能低壓溝道型MOSFET，以降低汽車的功耗。
IR由體積最小的HEV，也就是所謂微型混合動(dòng)力汽車開始，為它們的啟動(dòng)/停止功能提供極為耐用的MOSFET。啟動(dòng)/停止功能讓汽車在交通燈前停車或者下山時(shí)自動(dòng)停止內(nèi)燃引擎操作，而相關(guān)的制動(dòng)能量便可以補(bǔ)充給電池。頻繁的引擎發(fā)動(dòng)，使起動(dòng)器或者集成式起動(dòng)發(fā)電機(jī)要求非常耐用的功率管理方案，這是因?yàn)楫?dāng)你以車匙發(fā)動(dòng)汽車時(shí)，普通的起動(dòng)器只會(huì)發(fā)動(dòng)引擎一次，但集成式起動(dòng)發(fā)電機(jī)則要在頻繁的啟動(dòng)/停止周期中應(yīng)付高得多的功率。IR的AUIRS2003S是一款高功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，并備有高、低側(cè)參考輸出通道，適用于惡劣的汽車環(huán)境及引擎罩下的應(yīng)用。這款輸出驅(qū)動(dòng)器具有高脈沖電流緩沖級(jí)，可將驅(qū)動(dòng)器跨導(dǎo)降至最低，而浮動(dòng)通道可在最高200V的高側(cè)配置中驅(qū)動(dòng)一個(gè)N溝道功率MOSFET。該器件還提供低靜態(tài)電流，可為高側(cè)電路帶來低成本自舉電源。
為了滿足電池和功率管理、以及相關(guān)的DC/DC轉(zhuǎn)換器的要求，IR的HEV方案系列也包括了具備非常低EMI和優(yōu)化了的開關(guān)性能的驅(qū)動(dòng)器及開關(guān)。例如最新的DirectFETMOSFET產(chǎn)品便完全不用鍵合線，并且因?yàn)橄舜蟛糠值募纳姼?，以及具備最小的封裝電阻，所以能夠提供最佳的開關(guān)性能。除了領(lǐng)先行業(yè)的低導(dǎo)通電阻、卓越的開關(guān)性能和增強(qiáng)了的溫度能效(例如雙側(cè)散熱)，這款十分先進(jìn)的無鍵合線芯片尺寸封裝讓設(shè)計(jì)的體積顯著減小，特別適用于高功率要求或者如HEVDC/DC轉(zhuǎn)換器這些快速開關(guān)應(yīng)用。
AllegroMicroSystems公司具有故障診斷和報(bào)告功能的全橋式MOSFET預(yù)驅(qū)動(dòng)器A4940，采用超小型封裝，提供靈活的輸入接口、自舉監(jiān)控電路、寬泛的工作電壓(5.5至50V)和溫度(40℃至+150℃)范圍。該器件特別針對(duì)使用大功率電感負(fù)載(如：直流電刷電動(dòng)機(jī))的汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
壓電噴射或高強(qiáng)度照明等其它應(yīng)用需要100V到200V的功率器件和驅(qū)動(dòng)器。而點(diǎn)火IGBT和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在使用300V到1,000V以上的IGBT。飛兆半導(dǎo)體公司的柵極驅(qū)動(dòng)器FAN7080x系列，讓工程師開發(fā)出在所有操作條件下更準(zhǔn)確、精密的燃油噴射控制系統(tǒng)，從而提高燃油效率。這些柵極驅(qū)動(dòng)器在高側(cè)和橋驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT，如直接燃油噴射系統(tǒng)和電機(jī)控制。與市場上同類器件相比，它們的靜態(tài)功耗減少一半以上(靜態(tài)電流100μA對(duì)比240μA)，容許設(shè)計(jì)人員優(yōu)化系統(tǒng)和擴(kuò)大工作范圍。
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率MOSFET作為混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù)，吸引功率半導(dǎo)體廠商紛紛瞄準(zhǔn)這個(gè)龐大的市場。ISuppli曾預(yù)測汽車IGBT市場有望以17.2%的年復(fù)合增長率高速發(fā)展，位居汽車電源管理器件之首，MOSFET市場增長居其次。雖然在未來幾年中混合動(dòng)力車輛還將只是占據(jù)車輛市場的一小部分，但混合動(dòng)力對(duì)逆變器和DC/DC的集中需求將形成市場對(duì)IGBT和功率MOSFET的巨大需要。
