開發(fā)支持自動(dòng)駕駛的Power Architecture

正在開發(fā)新的創(chuàng)新車輛，以支持倉(cāng)儲(chǔ)、物流、農(nóng)業(yè)和配送運(yùn)輸中更多的自主活動(dòng)。這些應(yīng)用的功率要求促使半導(dǎo)體制造商開發(fā)新的解決方案。

汽車行業(yè)的電氣化繼續(xù)成為頭條新聞，因?yàn)橄M(fèi)者希望更多地了解電動(dòng)乘用車（主要是汽車）的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在工程界，話題經(jīng)常轉(zhuǎn)向電力：電動(dòng)汽車中使用的高壓和大型電池，其配電網(wǎng)絡(luò)必須處理 400 至 1200 V DC。

電動(dòng)汽車類別中有許多電池供電解決方案的例子，從小型單人交通工具到公共交通公交車。雖然這些例子背后有明確的動(dòng)力，但電氣化的好處也延伸到公路運(yùn)輸貨物的車輛、農(nóng)業(yè)設(shè)備以及用于物流和配送的倉(cāng)儲(chǔ)。

設(shè)計(jì)用于在開闊的公共道路上快速長(zhǎng)距離運(yùn)送人員的車輛需要長(zhǎng)續(xù)航里程（換句話說(shuō)，大型電池）、高有效載荷（大型電機(jī)）和安全限制（有限的自主性）。相比之下，專為倉(cāng)儲(chǔ)或智能農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)汽車移動(dòng)速度更慢，在受控環(huán)境中以更短的距離承載較小的有效載荷。因此，這類電動(dòng)汽車開創(chuàng)了更高水平的自動(dòng)駕駛。

我們可以按電池電壓對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行分類。與專門用于移動(dòng)物體（例如托盤上的貨物）的車輛相比，載人車輛往往具有更大、更復(fù)雜的電池要求。專注于倉(cāng)儲(chǔ)的品類正在經(jīng)歷高水平的創(chuàng)新，同時(shí)也越來(lái)越容易為企業(yè)主所接受。這些機(jī)器人車輛的設(shè)計(jì)、定制、優(yōu)化和部署變得更加簡(jiǎn)單。它們的運(yùn)營(yíng)成本也相對(duì)較低，通常提供更短的投資回報(bào)時(shí)間和更明顯的結(jié)果。

更廣泛的交通領(lǐng)域的電氣化

電動(dòng)設(shè)備在物流、倉(cāng)儲(chǔ)和農(nóng)業(yè)中的使用已經(jīng)確立。例如，托盤車和叉車已經(jīng)電氣化多年。然而，自主移動(dòng)機(jī)器人 （AMR） 和自動(dòng)導(dǎo)引車 （AGV） 正在定義這些設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展方式。

雖然它們?cè)谛问胶拖到y(tǒng)級(jí)功能上存在相似之處，但傳統(tǒng)解決方案、AGV 和 AMR 之間的差異說(shuō)明了電氣化的多樣性。下表總結(jié)了其中一些差異：

表 1：物流中使用的傳統(tǒng)、自動(dòng)駕駛和自動(dòng)駕駛車輛的功能比較

表中的簡(jiǎn)單顏色編碼顯示，根據(jù)突出顯示的功能，AMR 提供的優(yōu)勢(shì)最大。當(dāng)然，還有其他考慮因素，例如總擁有成本和維護(hù)成本。然而，預(yù)計(jì) AMR 或 AGV 的成本將低于叉車，這意味著在工作生命周期內(nèi)攤銷的擁有成本也將更低。

應(yīng)用的多樣性帶來(lái)了要求的多樣性。每種類型的車輛都需要針對(duì)其尺寸、機(jī)動(dòng)性類型、續(xù)航里程、有效載荷和整體重量進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)。隨著規(guī)模的縮小，較小的車輛可以使用需要較低電壓和較小電池的小型電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

自主與引導(dǎo)

自主性支持使用機(jī)器可以提高生產(chǎn)力。即使是簡(jiǎn)單的機(jī)器也可以自主執(zhí)行某些功能。對(duì)于設(shè)計(jì)為移動(dòng)的機(jī)器，自主性具有不同的含義，因?yàn)樗鼈冞€需要在周圍環(huán)境中導(dǎo)航。

自動(dòng)駕駛汽車使用傳感器進(jìn)行導(dǎo)航以了解其環(huán)境。它還將知道它要去哪里，并可能決定它的路線。或者，導(dǎo)引車可以自主移動(dòng)，但其導(dǎo)航和目的地由車外控制。這通常意味著使用標(biāo)記或航點(diǎn)來(lái)告訴車輛何時(shí)改變方向或何時(shí)到達(dá)目的地。在傳統(tǒng)車輛中，作員負(fù)責(zé)導(dǎo)航，盡管他們可能需要一些幫助，例如位置檢測(cè)和映射。

傳統(tǒng)的電動(dòng)托盤搬運(yùn)車或叉車與自動(dòng)或有導(dǎo)引式替代方案之間的主要區(qū)別很明顯：作員不再需要親自在場(chǎng)。這也意味著車輛的設(shè)計(jì)不是以人類為中心的;它不需要為人工作員提供空間或容量。在沒有人工作員在場(chǎng)的情況下，車輛的尺寸和形狀可以更加特定于應(yīng)用。

因此，我們可以期待自動(dòng)駕駛和導(dǎo)引車推向市場(chǎng)帶來(lái)更大的創(chuàng)新。為這些產(chǎn)品創(chuàng)建一個(gè)通用平臺(tái)將加快設(shè)計(jì)周期，同時(shí)允許對(duì)功能和有效載荷進(jìn)行定制。雖然導(dǎo)航將取決于車輛類別，但動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)是 OEM 可以考慮標(biāo)準(zhǔn)化的功能。汽車 OEM 已經(jīng)開創(chuàng)了這一先例，他們現(xiàn)在公開共享電動(dòng)汽車開發(fā)的通用平臺(tái)，這可能會(huì)刺激持續(xù)創(chuàng)新。

AMR/AGV 電源子系統(tǒng)中壓解決方案

法規(guī)涵蓋運(yùn)輸應(yīng)用中使用的電壓標(biāo)識(shí)。低電壓覆蓋高達(dá) 20 V DC 的系統(tǒng)，并使用黑色絕緣電線進(jìn)行顏色編碼。20 V 和 60 V 之間的任何電壓都?xì)w類為中壓，并采用淺藍(lán)色布線、外殼和導(dǎo)管進(jìn)行顏色編碼。高于 60 V 被歸類為高壓，并使用橙色電纜、外殼和導(dǎo)管進(jìn)行顏色編碼。

大多數(shù)電動(dòng)汽車和所有 BEV 都將采用橙色電線，表示它們使用的高電壓。許多可能還采用淺藍(lán)色布線，其中使用 48 V 系統(tǒng)。輕度混合動(dòng)力汽車可能只有 48 V 電氣系統(tǒng)。

48 V 在電動(dòng)汽車的各個(gè)子類別中的使用越來(lái)越普遍。它屬于中壓范圍，因此從技術(shù)上講，這些系統(tǒng)不僅限于在 48 V 下工作;它們可以在高達(dá) 60 V DC 的電壓下工作。這使得中壓成為小型自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車的靈活選擇。

在某些情況下，特別是在主流汽車中，也使用 48 V 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 12 V 系統(tǒng)。從 12 V 到 48 V 意味著在相同功率下電流更低。承載較低的電流意味著通過(guò)相同的線束在相同距離上的損耗較低。轉(zhuǎn)向 48 V 以在新應(yīng)用中提供相同的功率，這意味著線束中可以使用較低規(guī)格的電線。

隨著電壓的增加，線束中使用的電線的成本和重量會(huì)降低。互連可以使用更小或更密集封裝的端子，這對(duì)連接器的尺寸、成本和重量有積極影響。在為小型自動(dòng)駕駛或?qū)б囋O(shè)計(jì)電源架構(gòu)時(shí)，這些都是明顯的優(yōu)勢(shì)。

中壓電源架構(gòu)的電子元件

除了所需的布線和連接器外，這些電源架構(gòu)還基于電子元件。這些組件屬于一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，包括：

• 分立元件：晶體管、二極管和瞬態(tài)電壓抑制器

• 集成解決方案：高側(cè)和低側(cè)開關(guān)

• 模塊：AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

這些組件通常是單獨(dú)選擇的，并根據(jù)特定要求設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中。

幾十年來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)一直在設(shè)計(jì)和制造這些產(chǎn)品。然而，該行業(yè)會(huì)對(duì)市場(chǎng)需求做出反應(yīng)。從歷史上看，汽車和工業(yè)垂直領(lǐng)域?qū)χ袎旱男枨蟛⒉粡?qiáng)勁，但這種情況正在發(fā)生變化。

事實(shí)上，盡管汽車和運(yùn)輸應(yīng)用向中壓的轉(zhuǎn)變相對(duì)較新，但該行業(yè)正在積極響應(yīng)對(duì)這類半導(dǎo)體元件不斷增長(zhǎng)的需求。

為了滿足這一需求，半導(dǎo)體制造商正在開發(fā)專為 20 V 至 60 V 范圍設(shè)計(jì)的解決方案。這導(dǎo)致器件針對(duì)開關(guān)或以其他方式控制高達(dá) 100 V DC 左右的電壓進(jìn)行了優(yōu)化。那些已經(jīng)可用于其他電源應(yīng)用的相同類型的組件通常針對(duì)低于或高于 100 V 的電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

盡管開發(fā)這些解決方案無(wú)疑會(huì)帶來(lái)一些技術(shù)挑戰(zhàn)，但制造商是該領(lǐng)域的專家。挑戰(zhàn)的一部分是開發(fā)在成本和性能方面針對(duì)市場(chǎng)優(yōu)化的設(shè)備。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，我們可以期待看到更多的解決方案進(jìn)入市場(chǎng)。

許多業(yè)界領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商現(xiàn)在已經(jīng)擁有專為中壓汽車和運(yùn)輸應(yīng)用而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。大多數(shù)公司已經(jīng)宣布了更多針對(duì)中壓應(yīng)用的產(chǎn)品的路線圖。

對(duì)中壓解決方案的需求不斷增長(zhǎng)，表明了汽車和工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展方向。我們可以預(yù)期，用于乘用車的電動(dòng)汽車解決方案和為其他類型運(yùn)輸設(shè)計(jì)的解決方案的可用性會(huì)增加。