電源/感測/控制元件催油門　重型商用車馳向電動化

中國也取得了重大進展，諸多城市已經開始引入電動公車。無論電動化程度如何，電子控制系統已在這場革命中發揮著越來越重要的作用，這包括從電池的開關和電源管理，到能實現多輛卡車在高速公路上的節能結隊，和減少車輛在轉彎時的盲點等技術。這其中的很多功能只是為了邁向終極目標，即徹底實現自主操作。

如今，車輛設計師正面臨著這樣的挑戰，也就是對電子系統的極端要求，這是因為CAV的工作時間要比私家車長得多，在使用壽命期間，行駛的里程也更遠。不僅如此，它們還需要在保持極高安全性的同時，在極為惡劣的環境中運行，包括極端的溫度和衝擊/振動。

一直以來，商用、工程和農用車輛都是提高安全性、減少碳排放和顆粒物排放，以及提高運行和燃油效率等新技術關注的重點。這場變革是各國法律強制和日益上漲的成本結合之下的產物。如今，雅典、馬德里和巴黎等城市以及挪威政府都在實施零排放計畫，預計到2025年禁止柴油車入城。其他城市也紛紛宣布了停止採購傳統燃料公車的計畫，推動了大家對電動汽車的關注。目前，產業還在審視如何通過實現駕駛自動化，來降低事故率，並最大限度地減少人為干預。很明顯電動化就是方向，相關技術涉及所有電力和電子學科，從電機、驅動器、電源、運算到感測器和通訊等。而考慮到CAV的感測器和運算控制器的數量以及相關功能要求(如盲點監控和結隊，即將多組卡車聚集到距離較近的車隊中)要比私家車多得多，因此CAV相對會更加複雜。 

CAV市場 

儘管上路的私家車要比卡車多，但僅僅就碳排放而言，CAV就占了歐盟二氧化碳排放總量的25%，占溫室氣體總排放的5%(圖1)。同時，它們每公里消耗的柴油也更多，每天運行的時間通常也更長，CAV每天的行駛時間在10小時以上，而私家車每天只行駛一小時左右。它們「頻繁啟停」的特性(特別是公車和工程車)使它們的燃油效率低下。另外，這些車輛的服役時間也更長，比如公車通常可行駛100萬公里，而汽車只有20萬公里。隨著人們對貨運和客運需求的不斷增加，未來幾年，CAV市場也將不斷擴張，全電動或半電動的比重也將有所增加。麥肯錫的一項研究表明，到2030年，電動卡車的市場占比將達到15%左右，城市中小型商用電動汽車的占比將達到35%。彭博新能源財經(BNEF)預測，全球80%的城市公車將實現電動化，而麥肯錫對此的預測為75%，見圖2。

節能只是電動CAV的優勢之一，麥肯錫還聲稱，CAV實現5級自動駕駛這一終極目標後，典型車輛的總擁有成本(TCO)將降低45%。如今，全球都面臨著監管壓力。歐盟近期出台的一項法規表明，相比2019年，到2025年和2030年的新款卡車碳排放必須分別降低15%和30%[1]。據彭博社報導，中國運營的電動公車數量占全球38萬6千輛的99%。在歐洲，針對街道貨運需求而開發的德國製「StreetScooter」全電動輕型多功能車，目前已有1.2萬輛上路[2]，同時還有日本的500輛訂單。

CAV市場的電驅動系統

電動CAV的電驅動系統的效率和耐用性，是取代當今化石燃料，實現零排放電動汽車可靠運行的關鍵所在。以韓國的城市電動公車為例，現在它們的續航里程可達290公里，採用256kWh鋰離子電池，最高時速可達93公里。它們的傳動系統採用了兩台120kW馬達，為了將成本降至最低，該馬達由一對採用絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)技術的逆變器驅動。在該應用中，IGBT開關元件需要承受極端的溫度迴圈、來自負載突變的瞬態電壓尖峰，以及由振動引起的機械應力。因此，每個逆變器裡都採用了基於TRENCHSTOP IGBT4技術的三個1,700V/1,000A FF1000R17IE4P PrimePACK 3模組[4]。

在StreetScooter的主驅逆變器中也使用了TRENCHSTOP IGBT，以及AURIX汽車級的微控制器和EiceDRIVER系列柵極驅動器。如圖3所示，電動公車的設計能夠支持300天/年、16小時/天，每小時超過60個起停迴圈的重度使用。英飛淩採用IGBT5/.XT[6]技術的PrimePACK模組，使用銅鍵合線，替代傳統的鋁鍵合線，同時在晶片與DBC之間採用銀燒結技術，並且在DBC與銅基板之間使用了高可靠的焊接系統，大幅度提升了可靠性。與標準封裝技術相比，.XT可以將PC迴圈次數增加10倍，提升功率密度，並降低總體TCO成本。與IGBT4技術相比，IGBT5元件的功率密度提高了25%，同時降低了損耗。

在CAV應用，目前大多數的電動公車都搭載了英飛淩高性價比的EconoDUAL 3[7] IGBT半橋模組，其最大的電流和電壓可以覆蓋900A和1,700V。HybridPACK系列的功率模組[8]同樣可用於電動汽車應用，例如，820A/750V的功率模組FS820R08A6P2B，旨在典型工況下降低損耗，來擴展續航里程。這是一個六單元模組，針對高達10kHz的150kW逆變器進行了優化。

碳化矽(SiC)元件作為開關電源領域應用的新技術，也適用於電動CAV應用。在類似IGBT規格下，SiC元件可以更高頻率進行開關。當開關頻率超過50kHz時，就能使用較小的無源元件和濾波器。即使在較低頻率下開關，與IGBT相比，SiC元件也能將總損耗降低80%。

輔助電源轉換功能

輔助電源轉換器對水泵、液壓泵或暖通空調(HVAC)壓縮機等一系列應用而言是必不可少的。電機驅動還可用於半自動或全自動駕駛的轉向控制。在這些應用中，考慮到空間、重量和效率上的優勢，碳化矽技術非常有吸引力。車內的加熱和冷卻的迴圈控制是一個很好的例子，變換器高效轉換效率可以帶來更低的電池消耗和更長的續航里程。

在電動CAV裡，還有車載AC-DC電池充電器和輔助的DC-DC電源，以用於照明、資訊娛樂及其他傳統功能的輔助供電。在充電器和輔助電源中，使用CoolSiC作為功率開關元件所帶來的優勢甚至要高於電機驅動器。這要歸功於高速的開關頻率下，僅需使用非常小的隔離變壓器和電感元件。與基於IGBT的解決方案相比，可以實現更低的系統成本。 

IGBT和CoolSiC的可靠開關，需要配套的驅動和回饋電路或感測器和檢測電路的支援。對於速度或轉矩受控的電機驅動器，需要進行電流、轉子角度和轉速感測。用於電流感測的霍爾效應感測器是實現電動液壓助力轉向(EHPS)的經濟高效的解決方案(圖4)。汽車級XENSIV TLE4999[11]霍爾感測器可支援符合ISO 26262標準的ASIL-D應用。該元件採用兩個霍爾測量通道，用於比較ECU主訊號和子訊號、進行全面診斷、確定帶迴圈冗餘的資料安全性以及檢查數位輸出的滾動計數器。

使用「巨磁電阻(GMR)」或「各向異性磁電阻(AMR)」效應的感測器可用於對轉子角度進行高精度感測。XENSIV系列TLE5309D包括冗餘設計。該感測器在單個封裝內物理隔離，具有獨立電源，提高了操作安全性。採用GMR效應的另一個元件是完全冗餘的TLE5012BD。它在整個使用壽命期間的最大誤差僅為1.0o。它包括一個符合SPI標準的數位介面，用於設定參數、檢索診斷和收集狀態資訊。

電池/電源管理 

由於電動CAV應用應具有較長的使用壽命，因此維持電池的健康對於總擁有成本而言至關重要。電池管理系統持續監控電池溫度和放電，為電動CAV提供準確的剩餘電量和續航里程預測。由於電池是週期性充電，電池組中不同電池的老化狀態各有不同，因此必須定期將它們平衡到一個共同的充電狀態，電池管理系統通過專用電池檢測IC(如英飛淩TLE9012/9015)，來完成這些功能。該元件可監控多達12個串聯電池，以12位元ADC解析度測量電池電壓。它還可以處理高達150mA的平衡電流。通過兩個獨立的內部電壓基準，2Mbps端到端CRC安全通訊、內部診斷以及緊急通訊模式，來監控電池溫度並確保安全性。

在需求方面，電動CAV與電動私家車相比，一個典型的差別在於，在緊急情況下或裝卸危險物品時，前者需要電池斷開功能。這可以採用緊急停止開關的形式，可從駕駛室或車輛外部進行操作。由於半自動或全自動車輛帶有冗餘電池電源(通常是24V)，能夠在超過1,000安培峰值電流時接通或關斷。傳統解決方案使用的是機械繼電器，但這可以用雙穩態智慧斷路器(使用MOSFET作為開關元件)來代替。由英飛淩和Schweizer Electronic AG開發的斷路器展示板顯示，端到端電阻在25℃時僅為110μΩ，120℃時為160μΩ。連續電流額定值為300A，過流可達到500A(10分鐘，50cm3/min氣流)(圖5)。

該展示板使用了英飛淩AUIR3242S[12] MOSFET柵極驅動器，來驅動並聯的8個MOSFET。這個驅動器可在低至3V的電壓下工作，空載電流僅為50μA，並具有柵極電流監控等診斷和保護功能。MOSFET採用英飛淩無引腳TOLL封裝，與D2PACK相比，占板面積減少了30%，焊接面積增大50%，熱阻更低，可靠性更高。這些封裝符合AEC-Q101標準、無引腳，適用於40V和80V MOSFET。

電池充電 

電動CAV的充電方式各有不同。公共汽車、工程、農用和服務車輛可能需要使用更大的電池，它們在每天返回總站時，進行AC充電、無線或快速DC充電。卡車可能需要在每次出行前後進行充電。考慮到時間有限，因此快速DC充電可能是首選。用於本地運輸的小型商用車輛可以在一天內多次快速充電，因此使用的電池更輕更小。 

對於AC-DC車載充電器，設計人員可考慮將CoolMOS、IGBT或CoolSiC與EiceDRIVER一起用於功率級。汽車級AURIX微控制器和OPTIGA安全晶片能夠提供功能控制，符合安全完整性級別要求，並可進行安全的身份驗證和計費。英飛淩OPTIREG[13]元件還可用於充電器，包括電源管理IC(PMIC)、開關和線性調節器，以上均符合汽車級和ISO 26262標準。 

失效保護運行系統控制 

汽車電子委員會(AEC)AEC-Q標準涉及元件應力測試認證，是遵照符合IATF 16949：2016標準的品質體系向汽車市場供應產品的先決條件。AEC-Q101：「基於失效機制的離散半導體元件應力測試認證」以及AEC-Q104：「基於失效機制的多晶片模組(MCM)應力測試認證」均適用於提及的大多數英飛淩產品。ISO 26262[14]中定義了汽車控制系統元件失效而導致的危險的分類，它是定義了安全完整性等級(SIL)的IEC 61508[15]的改編版。自2018年底，卡車、公車乃至電動摩托車均被涵蓋在內。安全完整性等級(ASIL-A到ASIL-D)適用於汽車產業。至於自動駕駛，危險等級的分類取決於其自動化水準，後者由汽車工程師協會定義(0~5級)(圖6)。

為了滿足電動CAV的安全完整性等級要求，所有的電子控制模組都必須具有失效安全或失效運行功能，以及警告和全部/降級功能。安全關鍵型應用的配電也必須冗餘。AURIX[16]系列微控制器功能獨特，旨在符合ASIL-D級別要求，包含、安全啟動、安全板載通訊、空中軟體(SOTA)更新支援、IP和調整保護、通過OBD/受保護的FAR流程/調試保護進行診斷及防盜鎖止系統，同時完全符合eVita的防篡改要求。

這些元件是32位處理器，具有多達6個CPU和高達300MHz的時鐘速度，以及嵌入式硬體安全模組(HSM)。所有的元件均支持CAN-FD，新一代AURIX TC3xx系列還具有1Gbps乙太網連接。製造商的長期可用性承諾也為供應安全提供了保障：透過工具、參考設計和技術專家，提供全面的設計支援。汽車控制器感測器也必須具備適當的安全完整性等級。上文提到的機械和電氣感測器被用於車載監控，同時外部感測器也發揮著作用。例如，RADAR系統可利用晶片組(如可在24GHz下工作的汽車級BGTATR12)進行盲點監測。

控制器等電子元件的安全程度取決於其電源安全。

安全系統程度取決電源安全

因此，英飛淩推出了PRO-SIL系列TLF35584多輸出系統電源晶片[17]。它符合ISO 26262標準，能夠實現符合ASIL-D等級的系統設計，使之具備多種用戶保護安全功能，如軌道監控、採用靈活監控概念的故障檢測，以及能夠提供二次安全路徑的安全狀態控制器。它還內置測試功能，旨在確保所有功能運轉正常。該元件的最大輸入為40V，因此在使用24V卡車電源供電時(根據LV124標準可達到60V的峰值)，就需要一個預調節器。它可以是一個簡單的線性有源調節器，不過這會影響到效率。低成本、符合汽車標準的TLE6389xx有源DC-DC預調節器才是更優的解決方案，它通過固定或可調節的輸出，來實現靈活性和效率[18]。該元件可對輸入和輸出進行欠壓監控，並具有極低的靜態和關斷電流。圖7顯示了TLF35584和TLE6389xx與AURIX微控制器的連接方法。

OPTIREG線性/開關調節器和PMIC是具有汽車認證和符合ISO 26262標準的產品的理想之選。

將傳統的商用重型車輛向電氣化轉型，有助於在提高安全性、減少引發事故的人為事件的同時，提高燃油和運營效率。但這決不能以減少耐用性、使用壽命或可靠性為代價。這意味著，人們對車輛所使用的電子元件及系統寄予厚望，特別是在自動駕駛汽車業已問世的現在。從商用、工程和農用車輛市場角度來看，對於電源、感測器、通訊以及一系列控制方案的要求更為嚴苛，如能選對合適的方案導入其中，預期將為電動CAV產業帶來嶄新的風貌。

(本文由英飛淩提供)