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  在動力總成電氣化的各種變化中，輕型混合動力(MHEV)市場預(yù)計將在未來以高速率增長，因為48V電源網(wǎng)絡(luò)的實施將具有顯著的成本效益。另一方面，增加的48V電源網(wǎng)絡(luò)也要求對其ECU設(shè)計和安裝在其上的半導(dǎo)體有新的要求。主要要求為12V和48V電源的共存，并且需要證明它們在各自的電源網(wǎng)內(nèi)以及相互之間的電源網(wǎng)之間正常工作。瑞薩開發(fā)了概念驗證板(PoC)，以識別和驗證這些系統(tǒng)級要求。RENESAS瑞薩已經(jīng)開始開發(fā)符合VDA320，ISO21780和ISO16750標(biāo)準(zhǔn)的用于評估和新IP驗證的測試芯片。這些評估的結(jié)果將應(yīng)用于目前計劃中的48V柵極驅(qū)動器單元(GDU)系列產(chǎn)品的開發(fā)。

  MHEV市場與應(yīng)用

  動力總成的電氣化對于實現(xiàn)日益嚴(yán)格的CO2排放指標(biāo)至關(guān)重要。xEV分為幾種類型，包括電動汽車(BEV)，插電式混合動力汽車(PHEV)，全混合動力電動汽車(FHEV)和輕度混合動力電動汽車(MHEV)。

  如下圖1所示，從電氣化的發(fā)展方式來看，MHEV具有很高的增長率。Strategy Analytics預(yù)計，MHEV從2018年到2025年的復(fù)合年增長率為32%。MHEV市場將首先在歐洲和中國占主導(dǎo)地位，其次是美國。預(yù)計到2025年，將增長至歐洲350萬輛、中國240萬輛和美國230萬輛。

  圖1：地域別xEV市場和MHEV市場

  MHEV配備了額外的小型電動機，可以低成本并且便捷的集成在現(xiàn)有ICE(內(nèi)燃機)上。大多數(shù)MHEV采用48V系統(tǒng)。在48V系統(tǒng)中已經(jīng)實現(xiàn)了諸如BSG / ISG和輔助應(yīng)用等12V應(yīng)用，并且在可預(yù)見的將來，更多的12V應(yīng)用將移植到48V系統(tǒng)中。圖2顯示包含牽引電動機、發(fā)動機、輔助應(yīng)用等在內(nèi)的48V MHEV和48V電動機控制應(yīng)用，預(yù)計將會持續(xù)增長至2030年。輔助應(yīng)用的份額將約為45%，其中包括有油泵，水泵，壓縮機，渦輪增壓器等。

  圖2：48V MHEV和48V電機應(yīng)用需求預(yù)測

  48V系統(tǒng)的優(yōu)點

  48V系統(tǒng)的主要優(yōu)點是它能夠存儲在各種駕駛情況下(例如制動和慣性駕駛)損失的能量，并使用該能量來獲取動力(例如負(fù)載驅(qū)動)。這種所謂的再生能源可節(jié)省約10%至15%的燃料，并減少CO2排放。通過將這種再生能源存儲在48V電池中，可以獲得減少負(fù)載電流的派生優(yōu)勢，有助于降低功率損耗，減輕線束的重量和成本，并提高效率。

  新要求和挑戰(zhàn)

  引入48V系統(tǒng)(稱為48V電源網(wǎng))要求符合12V / 48V電源網(wǎng)組合的多個標(biāo)準(zhǔn)，如VDA320、ISO21780、ISO16750、LV148等。這些標(biāo)準(zhǔn)化活動主要由歐洲OEM和Tier1領(lǐng)導(dǎo)。為保證12V板網(wǎng)和48V板網(wǎng)共存，需滿足一些特殊要求，除了抗高壓能力外，還需要在12V和48V電源上實現(xiàn)域間隔離。

  當(dāng)前，與48V電源系統(tǒng)兼容的半導(dǎo)體組件的數(shù)量有限，因此有必要使用許多分立組件才能在48V ECU中實現(xiàn)所有必需的功能。例如，用于48V輔助應(yīng)用的現(xiàn)有解決方案由或多或少的分立組件組成，從而導(dǎo)致非常高的BOM成本。

  圖3：48V電機控制系統(tǒng)的電流解決方案

  瑞薩解決方案

  瑞薩開發(fā)了48V測試環(huán)境，這是一個針對48V輔助應(yīng)用(尤其是48V電機控制應(yīng)用)的PoC解決方案。它考慮了可配置的12V / 48V域隔離，如雙電源、感應(yīng)、監(jiān)視/診斷功能等必要功能。主要目標(biāo)是確定48V半導(dǎo)體組件的系統(tǒng)級要求以及遵循VDA320，ISO21780和ISO16750等標(biāo)準(zhǔn)時面臨的主要挑戰(zhàn)。

  圖4：48VPoC解決方案

  在PoC板中配備了以下幾款瑞薩的汽車芯片產(chǎn)品和其他組件：

  RH850/C1M-A2: 專門用于EV / HEV應(yīng)用的32位微控制器

  RH850微控制器的電源管理IC RAA270000RAA270000

  半橋驅(qū)動器ISL78434

  100V ANM2功率MosFET RBA250N10

  電感式Sin / Cos高速旋轉(zhuǎn)位置傳感器IPS2550

  單路輸出降壓控制器

  用于電源轉(zhuǎn)換的隔離式PWM控制器ISL78215

  ·

  圖5：框圖

  此PoC解決方案的主要目的是確定48V系統(tǒng)的半導(dǎo)體組件的系統(tǒng)級要求，并確定在滿足測試標(biāo)準(zhǔn)(例如VDA320，ISO21780和ISO16750)方面面臨的挑戰(zhàn)。瑞薩已經(jīng)基于這些標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了48V測試環(huán)境，并且已經(jīng)開始進(jìn)行評估，評估結(jié)果和獲得的問題對于開發(fā)測試芯片也很有幫助。

  預(yù)計將在各種輔助應(yīng)用中部署48V系統(tǒng)，但考慮到支持它們的半導(dǎo)體組件數(shù)量有限，同時引入48V電源網(wǎng)絡(luò)時會出現(xiàn)各種技術(shù)問題。瑞薩目前正在為48V系統(tǒng)開發(fā)新的柵極驅(qū)動器產(chǎn)品系列。在這些產(chǎn)品系列中，電機控制系統(tǒng)所需的功能將集成到IC中，并且將列出所有帶或不帶電流隔離的衍生產(chǎn)品具有成本效益和創(chuàng)新性的隔離概念有助于符合VDA320，ISO21780和IS016750。

  另外，通過整合電動機控制所需的功能，簡化了組件安裝，可望減少BOM成本和PCB空間，并且可通過將ECU集成在電動機殼體內(nèi)來使系統(tǒng)小型化?？梢詫娀谋O(jiān)視，保護和診斷功能集成到柵極驅(qū)動器中，以提高功能安全級別。另外，通過以模塊化的方式將功能集成到柵極驅(qū)動器中，可以將每個柵極驅(qū)動器作為針對每種應(yīng)用的優(yōu)化解決方案來提供，從而縮短了客戶進(jìn)入市場的TAT。

  瑞薩計劃將PoC解決方案中現(xiàn)有的柵極驅(qū)動器替換為正在開發(fā)的48V柵極驅(qū)動器產(chǎn)品，并在將來與演示軟件一起將其作為48V輔助應(yīng)用的參考設(shè)計。作為一種“easy to use”的解決方案，RENESAS瑞薩相信RENESAS瑞薩可以為客戶在縮短新ECU設(shè)計時的開發(fā)周期上做出貢獻(xiàn)。