開(kāi)發(fā)支持自動(dòng)駕駛的Power Architecture

正在開(kāi)發(fā)新的創(chuàng )新車(chē)輛，以支持倉儲、物流、農業(yè)和配送運輸中更多的自主活動(dòng)。這些應用的功率要求促使半導體制造商開(kāi)發(fā)新的解決方案。

汽車(chē)行業(yè)的電氣化繼續成為頭條新聞，因為消費者希望更多地了解電動(dòng)乘用車(chē)（主要是汽車(chē)）的特點(diǎn)和優(yōu)勢。在工程界，話(huà)題經(jīng)常轉向電力：電動(dòng)汽車(chē)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(chē)類(lèi)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(chē)。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輸貨物的車(chē)輛、農業(yè)設備以及用于物流和配送的倉儲。

設計用于在開(kāi)闊的公共道路上快速長(cháng)距離運送人員的車(chē)輛需要長(cháng)續航里程（換句話(huà)說(shuō)，大型電池）、高有效載荷（大型電機）和安全限制（有限的自主性）。相比之下，專(zhuān)為倉儲或智能農業(yè)設計的小型電動(dòng)汽車(chē)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(lèi)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)創(chuàng )了更高水平的自動(dòng)駕駛。

我們可以按電池電壓對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行分類(lèi)。與專(zhuān)門(mén)用于移動(dòng)物體（例如托盤(pán)上的貨物）的車(chē)輛相比，載人車(chē)輛往往具有更大、更復雜的電池要求。專(zhuān)注于倉儲的品類(lèi)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。這些機器人車(chē)輛的設計、定制、優(yōu)化和部署變得更加簡(jiǎn)單。它們的運營(yíng)成本也相對較低，通常提供更短的投資回報時(shí)間和更明顯的結果。

更廣泛的交通領(lǐng)域的電氣化

電動(dòng)設備在物流、倉儲和農業(yè)中的使用已經(jīng)確立。例如，托盤(pán)車(chē)和叉車(chē)已經(jīng)電氣化多年。然而，自主移動(dòng)機器人 （AMR） 和自動(dòng)導引車(chē) （AGV） 正在定義這些設備的進(jìn)一步發(fā)展方式。

雖然它們在形式和系統級功能上存在相似之處，但傳統解決方案、AGV 和 AMR 之間的差異說(shuō)明了電氣化的多樣性。下表總結了其中一些差異：

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

表中的簡(jiǎn)單顏色編碼顯示，根據突出顯示的功能，AMR 提供的優(yōu)勢最大。當然，還有其他考慮因素，例如總擁有成本和維護成本。然而，預計 AMR 或 AGV 的成本將低于叉車(chē)，這意味著(zhù)在工作生命周期內攤銷(xiāo)的擁有成本也將更低。

應用的多樣性帶來(lái)了要求的多樣性。每種類(lèi)型的車(chē)輛都需要針對其尺寸、機動(dòng)性類(lèi)型、續航里程、有效載荷和整體重量進(jìn)行優(yōu)化的系統。隨著(zhù)規模的縮小，較小的車(chē)輛可以使用需要較低電壓和較小電池的小型電動(dòng)機運行。

自主與引導

自主性支持使用機器可以提高生產(chǎn)力。即使是簡(jiǎn)單的機器也可以自主執行某些功能。對于設計為移動(dòng)的機器，自主性具有不同的含義，因為它們還需要在周?chē)h(huán)境中導航。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)使用傳感器進(jìn)行導航以了解其環(huán)境。它還將知道它要去哪里，并可能決定它的路線(xiàn)?；蛘?，導引車(chē)可以自主移動(dòng)，但其導航和目的地由車(chē)外控制。這通常意味著(zhù)使用標記或航點(diǎn)來(lái)告訴車(chē)輛何時(shí)改變方向或何時(shí)到達目的地。在傳統車(chē)輛中，作員負責導航，盡管他們可能需要一些幫助，例如位置檢測和映射。

傳統的電動(dòng)托盤(pán)搬運車(chē)或叉車(chē)與自動(dòng)或有導引式替代方案之間的主要區別很明顯：作員不再需要親自在場(chǎng)。這也意味著(zhù)車(chē)輛的設計不是以人類(lèi)為中心的;它不需要為人工作員提供空間或容量。在沒(méi)有人工作員在場(chǎng)的情況下，車(chē)輛的尺寸和形狀可以更加特定于應用。

因此，我們可以期待自動(dòng)駕駛和導引車(chē)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)通用平臺將加快設計周期，同時(shí)允許對功能和有效載荷進(jìn)行定制。雖然導航將取決于車(chē)輛類(lèi)別，但動(dòng)力和運動(dòng)子系統是 OEM 可以考慮標準化的功能。汽車(chē) OEM 已經(jīng)開(kāi)創(chuàng )了這一先例，他們現在公開(kāi)共享電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的通用平臺，這可能會(huì )刺激持續創(chuàng )新。

AMR/AGV 電源子系統中壓解決方案

法規涵蓋運輸應用中使用的電壓標識。低電壓覆蓋高達 20 V DC 的系統，并使用黑色絕緣電線(xiàn)進(jìn)行顏色編碼。20 V 和 60 V 之間的任何電壓都歸類(lèi)為中壓，并采用淺藍色布線(xiàn)、外殼和導管進(jìn)行顏色編碼。高于 60 V 被歸類(lèi)為高壓，并使用橙色電纜、外殼和導管進(jìn)行顏色編碼。

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

48 V 在電動(dòng)汽車(chē)的各個(gè)子類(lèi)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，這些系統不僅限于在 48 V 下工作;它們可以在高達 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(chē)的靈活選擇。

在某些情況下，特別是在主流汽車(chē)中，也使用 48 V 代替傳統的 12 V 系統。從 12 V 到 48 V 意味著(zhù)在相同功率下電流更低。承載較低的電流意味著(zhù)通過(guò)相同的線(xiàn)束在相同距離上的損耗較低。轉向 48 V 以在新應用中提供相同的功率，這意味著(zhù)線(xiàn)束中可以使用較低規格的電線(xiàn)。

隨著(zhù)電壓的增加，線(xiàn)束中使用的電線(xiàn)的成本和重量會(huì )降低?；ミB可以使用更小或更密集封裝的端子，這對連接器的尺寸、成本和重量有積極影響。在為小型自動(dòng)駕駛或導引車(chē)設計電源架構時(shí)，這些都是明顯的優(yōu)勢。

中壓電源架構的電子元件

除了所需的布線(xiàn)和連接器外，這些電源架構還基于電子元件。這些組件屬于一個(gè)層次結構，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：高側和低側開(kāi)關(guān)

• 模塊：AC/DC 和 DC/DC 轉換器

這些組件通常是單獨選擇的，并根據特定要求設計到系統中。

幾十年來(lái)，半導體行業(yè)一直在設計和制造這些產(chǎn)品。然而，該行業(yè)會(huì )對市場(chǎng)需求做出反應。從歷史上看，汽車(chē)和工業(yè)垂直領(lǐng)域對中壓的需求并不強勁，但這種情況正在發(fā)生變化。

事實(shí)上，盡管汽車(chē)和運輸應用向中壓的轉變相對較新，但該行業(yè)正在積極響應對這類(lèi)半導體元件不斷增長(cháng)的需求。

為了滿(mǎn)足這一需求，半導體制造商正在開(kāi)發(fā)專(zhuān)為 20 V 至 60 V 范圍設計的解決方案。這導致器件針對開(kāi)關(guān)或以其他方式控制高達 100 V DC 左右的電壓進(jìn)行了優(yōu)化。那些已經(jīng)可用于其他電源應用的相同類(lèi)型的組件通常針對低于或高于 100 V 的電壓進(jìn)行設計和優(yōu)化。

盡管開(kāi)發(fā)這些解決方案無(wú)疑會(huì )帶來(lái)一些技術(shù)挑戰，但制造商是該領(lǐng)域的專(zhuān)家。挑戰的一部分是開(kāi)發(fā)在成本和性能方面針對市場(chǎng)優(yōu)化的設備。隨著(zhù)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)先的功率半導體供應商現在已經(jīng)擁有專(zhuān)為中壓汽車(chē)和運輸應用而設計的產(chǎn)品。大多數公司已經(jīng)宣布了更多針對中壓應用的產(chǎn)品的路線(xiàn)圖。

對中壓解決方案的需求不斷增長(cháng)，表明了汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展方向。我們可以預期，用于乘用車(chē)的電動(dòng)汽車(chē)解決方案和為其他類(lèi)型運輸設計的解決方案的可用性會(huì )增加。