電動汽車（EV）是近年來半導(dǎo)體行業(yè)必談的課題之一，在汽車電氣化上全世界都在聚焦“減少溫室氣體排放”這個(gè)問題上。據(jù)美國國家公路交通安全管理局統(tǒng)計(jì)，平均燃油經(jīng)濟(jì)性到2026年達(dá)40.4英里/每加侖燃油；而在巴黎聯(lián)合國氣候變化大會上（COP21）提出了2030年溫室氣體排放量比1990年減少40%的目標(biāo)。

在此背景之下，汽車廠商有兩條路。其一，采用電池汽車電機(jī)化的做法，使用高壓電池進(jìn)行電動車制造；其二，采用輕混電動車（MHEV，Mild Hybrid Electronic Vehicle），MHEV僅需使用48V電機(jī)，就能將內(nèi)燃機(jī)的溫室氣體排放量減少13%-22%。

隨著市場加速，MHEV具有多重優(yōu)勢，已在大多品牌中實(shí)現(xiàn)，并具有一定市場?！拔覀冋J(rèn)為48V輕混市場有很大的潛力，而且這個(gè)應(yīng)用對于減少溫室氣體的排放是有很大的幫助，所以我們絕對認(rèn)為48V輕混市場是有很大的增長空間的”，德州儀器 (TI) 電機(jī)驅(qū)動器業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理Kannan Soundarapandian如是說。近期，TI也邀請21ic中國電子網(wǎng)共同討論在這一市場的發(fā)展。

MHEV對48V電機(jī)驅(qū)動有很大要求

MHEV在越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和越來越高的油耗動力需求下應(yīng)運(yùn)而生，博世、法雷奧、德爾福等廠商均已有48V輕混汽車面世，并取得不錯(cuò)成績。

MHEV與傳統(tǒng)電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)最大的區(qū)別便是從12V的使用電壓變?yōu)?span>48V，在電池電壓輸出升高的情況下整體的線路損耗被降低，啟停電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、冷卻水泵等系統(tǒng)的工作時(shí)間被改善。除此之外，48V的電壓使得鋰電池實(shí)現(xiàn)快速能量回收，回收能量將被用于輔助驅(qū)動，降低發(fā)動機(jī)負(fù)載，整體的油耗和排放均會有效降低。

雖然MHEV擁有如此強(qiáng)大的“魔力”，但實(shí)際上對于設(shè)計(jì)人員來說，想要在MHEV電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)汽車電氣化并非隨意之事。根據(jù)Kannan的介紹，想要實(shí)現(xiàn)MHEV的汽車電氣化，對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)擁有4個(gè)要求：

1、小尺寸：在整車功能愈發(fā)增長的背景下，電路板的空間是有限的，小尺寸能夠讓更多器件集合在電路板上，這樣才能更好滿足電機(jī)驅(qū)動的要求。

2、安全性：車規(guī)級產(chǎn)品普遍相對普通產(chǎn)品擁有更高的要求，需要在設(shè)計(jì)中遵循汽車安全完整性等級ASIL D的系統(tǒng)級功能安全性。

3、大功率：大功率器件能夠在有限空間中驅(qū)動更高功率器件，幫助更好實(shí)現(xiàn)電氣化。

4、耐受性：由于汽車場景普遍在條件中相對較為惡劣，特別對溫度和壓力擁有更高的要求。

實(shí)際上TI的48V電機(jī)產(chǎn)品就是遵照這種要求而設(shè)計(jì)的，Kannan為介紹其解決方案DRV3255-Q1：

1、集成：TI的DRV3255-Q1與現(xiàn)有的三相48V BLDC電機(jī)驅(qū)動器相比，可將PCB空間減少多達(dá)30%。

2、功能安全：TI的功能安全合規(guī)型電機(jī)驅(qū)動器可幫助實(shí)現(xiàn)符合ASIL D要求的輕混電動車(MHEV)系統(tǒng)，并根據(jù)ISO26262要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3、功率：為輕混電動車(MHEV)的大功率電機(jī)系統(tǒng)提供超高的柵極驅(qū)動電流，Kannan強(qiáng)調(diào)TI能夠?yàn)檩p混電動車提供最高達(dá)到30KW的功率。

4、保護(hù)：通過0級認(rèn)證保護(hù)48V起動機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)免受瞬態(tài)影響。Kannan表示，TI在偵測和保護(hù)設(shè)計(jì)當(dāng)中有很多的考量，能夠使器件穩(wěn)定、可靠。

48V電機(jī)驅(qū)動架構(gòu)設(shè)計(jì)有門道

Kannan為記者展示了市面上常見的48V電機(jī)架構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)具有強(qiáng)大保護(hù)功能的安全電機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)，需要在外部使用鉗位二極管、外部驅(qū)動電路、匯路電阻器和二極管、比較器以及外部安全邏輯。這些外部器件會導(dǎo)致布板空間增大并使系統(tǒng)成本升高。不僅如此，由于電機(jī)是三相的所以需要三套同樣的器件。

而DRV3255-Q1的集成了外部邏輯和比較器、可調(diào)節(jié)高電流柵極驅(qū)動器以及對大電壓瞬態(tài)的支持（無需額外的外部器件），將所有需要的一些邏輯和驅(qū)動器件都集成在系統(tǒng)里。由此，外部系統(tǒng)被大大簡化，這樣的高度集成化還能帶來更小的板載空間。

DRV3255-Q1不僅擁有超高的集成性，能夠減少12-24個(gè)無源器件，還擁有高達(dá)30kW的超高功率和能夠免受95V惡劣開關(guān)瞬態(tài)電壓影響的安全機(jī)制。產(chǎn)品不僅根據(jù)ISO26262標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，能夠幫助客戶容易實(shí)現(xiàn)ASIL-D等級的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還符合AECQ-100 0級標(biāo)準(zhǔn)，甚至可在-40攝氏度到150攝氏度環(huán)境下應(yīng)用。

Kannan表示48V電機(jī)驅(qū)動是DRV3255-Q1最主要的系統(tǒng)目標(biāo)，除了最常見的應(yīng)用外，TI預(yù)計(jì)未來會有諸如電機(jī)驅(qū)動的電動助力轉(zhuǎn)向應(yīng)用運(yùn)用48V系統(tǒng)。

他強(qiáng)調(diào)，無人駕駛系統(tǒng)需要確保智能和安全，因此需要高度冗余的空間搭載相關(guān)功能。想要確保系統(tǒng)冗余，起碼要兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)并存?！爱?dāng)兩個(gè)系統(tǒng)并存在一起時(shí)，如果純粹以12V單相電源來供電，負(fù)荷會有一定限制，不能做到很高的重復(fù)使用。如果能夠一個(gè)系統(tǒng)用48V，另外一個(gè)系統(tǒng)用12V，冗余度就會變得非常高，并且能確保正常運(yùn)行時(shí)單一電源會更高。”

一般的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)中還會配置12V的電池去配置電源驅(qū)動芯片和MCU，供電的來源則是DC/DC降壓器將48V降壓為12V所供給的。一般的驅(qū)動電機(jī)中，電壓在系統(tǒng)上出現(xiàn)任何偏差都會直接將48V電流灌注沖擊電源驅(qū)動芯片和MCU上。

DRV3255-Q1的設(shè)計(jì)中，由于所有邏輯接口都擁有了最高75V的高承受電壓基準(zhǔn)，有任何錯(cuò)誤，電機(jī)驅(qū)動器都是能夠承受這個(gè)負(fù)載的。Kannan強(qiáng)調(diào)，這也是48V驅(qū)動設(shè)計(jì)中較為重要的一點(diǎn)，能夠提高產(chǎn)品的可靠度。

48V電動車未來將走向何方

對于48V電動汽車，業(yè)界常常傳出“48V是過渡，甚至OEM會跳過48V這一世代”的聲音。但實(shí)際上，大多數(shù)OEM廠商正在采用48V系統(tǒng)，因?yàn)檫@只需在車輛架構(gòu)上進(jìn)行一步步改變，ICE則需要昂貴的重新設(shè)計(jì)。并且，很多OEM廠商也正在逐漸傳出擴(kuò)產(chǎn)MHEV產(chǎn)品組合的消息，越來越多的OEM開始計(jì)劃推出MHEV，所以說傳言與實(shí)際是背道而馳的。

雖然48V這個(gè)數(shù)字看起來比12V更大，但實(shí)際在汽車成本上并不是一個(gè)正比的關(guān)系。具體來說，電纜成本（48V允許比12V更小線標(biāo)，電纜尺寸和重量更低）、供電成本（電動泵、風(fēng)扇、動力轉(zhuǎn)向齒條和壓縮機(jī)效率更高）、電池成本（比PHEV和BEV要求更低）、發(fā)動機(jī)成本（可在性能不變情況下，用四缸發(fā)動機(jī)替換六缸發(fā)動機(jī)）。

那么既然48V電機(jī)驅(qū)動比12V電機(jī)驅(qū)動優(yōu)勢這么多，前者會取代后者嗎？答案是否定的，TI的Karl-Heinz Steinmetz曾在其官網(wǎng)中表示，高端汽車制造商將完全轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng)可能需要10到15年的時(shí)間，未來一段時(shí)間內(nèi)仍會是12V-48V的雙動力結(jié)構(gòu)。

通過觀察TI在48V驅(qū)動上主推的DRV3255-Q1這個(gè)產(chǎn)品，其很大優(yōu)勢都是建立在其高度集成化和安全可靠性上的。說到集成，TI近兩年發(fā)布產(chǎn)品均從分立轉(zhuǎn)向擁抱集成，Kannan強(qiáng)調(diào)在集成方面，TI還提供了很好的環(huán)境偵測功能，能夠把一些偵測到的資訊很方便地從驅(qū)動器轉(zhuǎn)到處理器上。這樣的高度集成化，使得TI認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢去幫助客戶建立小型化的48V電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

從汽車上談起，TI現(xiàn)在擁有7000種車規(guī)級模擬和嵌入式產(chǎn)品，并且從2014年以來，每年都會推出數(shù)百種新型車規(guī)級的芯片。相信這樣的實(shí)力之下，48V電機(jī)驅(qū)動將會受到無比強(qiáng)大的加持。