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新能源汽車48V車身電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)級(jí)解決方案詳解

發(fā)布人:hejingfeng 時(shí)間:2024-10-10 來源:工程師 發(fā)布文章

背景介紹

智能化和電動(dòng)化是新能源汽車發(fā)展的重要方向,其對(duì)電能的需求也越來越高。除此之外,因?yàn)殡姵氐闹亓?,整個(gè)車比純?nèi)加推嚫?,這使設(shè)計(jì)者不得不增加車身執(zhí)行器的功率來提供更大的扭矩。但傳統(tǒng)的12V電池受限于電流和電池電量等原因,不能為整車提供無限大的電流。所以如同整車低壓供電電壓升到12V一樣,它還在繼續(xù)往上升,邁向48V,從而為整車提供更大的功率輸出和更高的能效。故越來越多的汽車廠家開始關(guān)注48V系統(tǒng)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)。


系統(tǒng)拓?fù)鋱D

為此,英飛凌在多年前開始布局研發(fā)48V的相關(guān)芯片。考慮到目前成熟的針對(duì)12V BLDC高性價(jià)比控制平臺(tái)MOTIXTM MCU,英飛凌開發(fā)了level shift 芯片TLE9140。它也是gate driver器件,相當(dāng)于直接替換了12V BLDC電機(jī)控制高集成芯片TLE987x和TLE989x的gate driver 部分,從而使他可以上升到48V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該方案的另一個(gè)好處是客戶可以復(fù)用他們成熟的12V BLDC電機(jī)控制平臺(tái),降低開發(fā)難度,縮短開發(fā)周期,一個(gè)平臺(tái)兼容12V,24V和48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)。


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MOTIXTM MCU

MOTIXTM MCU系列屬于SoC (System on Chip) 級(jí)產(chǎn)品,集成了MCU,LDO,gate driver,電流采樣和LIN收發(fā)器等模塊。針對(duì)BLDC電機(jī)控制,推薦TLE987x和TLE989x系列,其內(nèi)部框圖如下所示,前者是針對(duì)LIN通信方案,后者是針對(duì)CAN通信方案。詳細(xì)的信息和文檔,可以在英飛凌官網(wǎng)搜索TLE987x/TLE989x,或者直接訪問:www.infineon.com/tle987x或者www.infineon.com/tle989x。


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TLE987x內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

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TLE989x內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖


48V系統(tǒng)Gate Driver

TLE9140是專門針對(duì)48V BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的gate driver芯片,同時(shí)兼容24V系統(tǒng),可以支持功能安全ASIL B級(jí)別應(yīng)用。除此之外,設(shè)計(jì)上考慮了匹配英飛凌MOTIXTM MCU。其耐壓高達(dá)100V,驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)230nC,最大驅(qū)動(dòng)頻率25kHz。先進(jìn)的電流型gate driver可以幫助用戶通過修改寄存器配置,從而非常方便地修正驅(qū)動(dòng)波形,以匹配不同的MOSFET,無需修改硬件。除此之外,支持過壓,欠壓,過溫,短路,開路,輸入錯(cuò)誤等故障檢測(cè)。還配備了窗式看門狗,進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性,確保軟件死機(jī)的情況下,及時(shí)關(guān)斷輸出。16位SPI通信配置控制寄存器和通過狀態(tài)寄存器獲取芯片當(dāng)前狀態(tài)和故障。詳細(xì)信息可以訪問英飛凌官網(wǎng): www.infineon.com 并搜索“TLE9140”。

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TLE9140內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖


48V系統(tǒng)MOSFET

功率器件部分,英飛凌有非常全面的MOSFET的選擇。在OptiMOSTM 5的基礎(chǔ)上研發(fā)了新一代OptiMOSTM 7 溝槽MOSFET。針對(duì)48V應(yīng)用,可提供80V和100V 兩個(gè)電壓等級(jí)。新一代OptiMOSTM 7的MOSFET采用尖端的雙多晶硅溝槽技術(shù)以及業(yè)界領(lǐng)先的300mm薄晶圓技術(shù)與生產(chǎn),如下圖所示,80V和100V的MOSFET導(dǎo)通電阻相比于前一代有40%的降低,遵循了英飛凌低RDSON ,低導(dǎo)通損耗的發(fā)展宗旨。除此之外,新一代技術(shù)的MOSFET 具有更小的門極充電電荷,開關(guān)速度更快,降低了開關(guān)損耗。這兩大特點(diǎn)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)較為明顯。


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英飛凌OptiMOSTM 7也遵循明確的封裝策略,將無引腳封裝結(jié)合銅夾技術(shù)推向市場(chǎng),為滿足48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用,80V和100V MOSFET包括了市場(chǎng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要的熱門封裝:除了S3O8, SSO8單MOSFET, STOLL,TOLL封裝,另外還有100V SSO8雙MOSFET, 不同的封裝,不同的導(dǎo)通電阻,不同的電壓等級(jí)可以適用于幾十瓦到幾千瓦不同的功率等級(jí),完美地滿足了客戶的各類需求。具體選型表可以訪問英飛凌官網(wǎng),并搜索“Automotive MOSFET”。


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角度傳感器

雖然無傳感器控制,可以幫助客戶在有些應(yīng)用降低成本,例如水泵和冷卻風(fēng)扇。但在一些應(yīng)用中,為了更精準(zhǔn)的控制,客戶會(huì)用到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器,例如油泵。英飛凌位置傳感器主要包括霍爾開關(guān)和磁阻角度傳感器。


霍爾開關(guān)的產(chǎn)品系列中,我們既為電池供電的設(shè)計(jì)提供了過壓能力高達(dá)42V(不加外部電阻的情況下),支持32V供電的TLE4961/TLE4964/TLE4968系列;也為EMC工況較好的設(shè)計(jì)提供了高性價(jià)比5V供電的TLE4963/TLE4965系列。用戶可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)需求選擇合適的型號(hào)。詳細(xì)信息可以訪問英飛凌官網(wǎng),并搜索“magnetic switch”。


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英飛凌霍爾開關(guān)和鎖存器的產(chǎn)品序列


英飛凌還提供了各種基于磁阻效應(yīng)(GMR,AMR,TMR)的角度傳感器。我們既提供了計(jì)算完角度直接輸出數(shù)字量信號(hào)的傳感器TLE5012B/TLE5014,也提供了輸出sin/cos信號(hào)的模擬量輸出的傳感器TLE5x09/TLE5501。對(duì)于精度的改善,TLE5012B內(nèi)部帶自校準(zhǔn)算法;TLE5014內(nèi)部帶32點(diǎn)查找表補(bǔ)償;TLE5x09和TLE5501的補(bǔ)償算法可以集成在客戶的MCU內(nèi),從而降低系統(tǒng)成本和實(shí)現(xiàn)更高的精度??蛻艨梢愿鶕?jù)實(shí)際需求選擇合適的產(chǎn)品,詳細(xì)信息可以訪問英飛凌官網(wǎng),并搜索“angle sensor”。


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英飛凌基于磁阻效應(yīng)的角度傳感器搭配磁鐵的位置關(guān)系

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英飛凌基于磁阻效應(yīng)的汽車級(jí)角度傳感器的產(chǎn)品序列


評(píng)估板及系統(tǒng)方案驗(yàn)證

針對(duì)本文介紹的48V車身電機(jī)系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng)方案,英飛凌開發(fā)了對(duì)應(yīng)的評(píng)估板,實(shí)物圖如下所示。詳細(xì)信息可以訪問英飛凌官網(wǎng),搜索:TLE9140EQW EVAL。


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我們基于該評(píng)估板,在電機(jī)測(cè)試臺(tái)架上,進(jìn)行加載,運(yùn)行,做了初步測(cè)試,視頻如下:


,時(shí)長(zhǎng)00:16


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電流波形


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