混合動力汽車挑戰(zhàn)電源芯片與功率器件技術(shù)

在汽車行業(yè)的發(fā)展方向上，電動汽車(EV)和油電混合動力汽車(HEV)正成為一個明顯的趨勢。從技術(shù)角度來說，目前更為可行的是混合動力。混合動力汽車是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源(由傳統(tǒng)的汽油機(jī)或者柴油機(jī)產(chǎn)生)與電動力源(電池與電動機(jī))的汽車。這樣汽車的動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行狀況靈活調(diào)控，幫助發(fā)動機(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。 　　對于終端消費者來說，混合動力車型已經(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、寶馬混合動力X6、凱雷德混合動力版、保時捷混合動力版卡宴、雷克薩斯RX450H等，以及一些國產(chǎn)混合動力車包括奇瑞A5、長安杰勛混合動力車、比亞迪F3DM等等，都逐漸進(jìn)入了市場。但是，對于半導(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)為鋰離子會在2015年時占據(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)計和先進(jìn)的監(jiān)測方案來確保安全工作。例如電池過壓會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器效應(yīng)方面都具有突出的優(yōu)勢，但是它們在過充狀態(tài)或深度放電過程中往往會發(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)品線高級行銷經(jīng)理Claus Mochel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個截止頻率低于30Hz的集成式模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個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。 　　凌力爾特公司信號調(diào)理產(chǎn)品產(chǎn)品市場經(jīng)理Brian Black也持相同觀點，“混合動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力型汽車使用一個大型電池組。這個電池組必須仔細(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個單獨的電池，幾個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)電池的故障可能會造成整個電池組的燃燒或爆炸。通常的保護(hù)電路大都采用多個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。這種獨特的架構(gòu)允許連接多達(dá)31個器件至串接電池組，對多達(dá)372節(jié)電池進(jìn)行監(jiān)測。同時，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。 　　相對于傳統(tǒng)汽車電源而言，混合動力汽車的電源功率更大，電壓更高。“對于電源管理而言，需要管理的對象不是單個電源，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)，需要對每個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)部高級市場工程師曹洪宇補(bǔ)充道，“另外在整個系統(tǒng)運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。” 　　由于鋰離子電池對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)生上述其中一項異常情況，便會通過緊急繼動裝置予以關(guān)斷。ATA6871帶有無需外部微控制器或軟件就能夠運行的內(nèi)建自我測試程序，以及由硬件實現(xiàn)的監(jiān)控閾值，能夠提供安全級別最高的鋰離子電池監(jiān)控功能。即使初級器件被損壞，也可以確保正常的運作。 　　對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)計的另一個挑戰(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)計更具挑戰(zhàn)性。 　　“HEV最重要的革命性改變是動力系統(tǒng)的電氣化，它要求大動力的電動引擎，并且必須在比標(biāo)準(zhǔn)12V內(nèi)燃引擎推動的汽車更高的電壓下運行。另外，HEV的電池和能源管理是基于12V和一個數(shù)百伏的高電壓電池的雙電網(wǎng)，以及對汽車領(lǐng)域來說屬于嶄新設(shè)計的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Henning M. 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型號中更可能要承受高達(dá)1,200V的電壓。IR有為輕型混合動力汽車提供先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動解決方案，而那些在10-15kW范圍的動力系統(tǒng)電機(jī)，通常會使用擁有600V能力的產(chǎn)品。至于全混合動力和插電式混合動力汽車，以及那些電機(jī)高達(dá)，甚至超出100kW的電動汽車，IR有高達(dá)1,200V的開關(guān)和驅(qū)動IC供應(yīng)。