MOSFET在新能源汽车中的应用
大盛唐电子 2022-09-20

新能源汽车和充电桩中MOSFET 的应用需求


上一期我们写到,AppleCar的出现受益于新能源汽车技术,相较于油车,新能源汽车架构更加简洁,在此基础上升级自动驾驶相较于油车来说,更容易控制。


汽车电动化和智能化发展相辅相成:电动车反应时间短(电动车电信号控制约30毫秒、普通燃油车机械控制约500毫秒)、电池容量大(停车时可长时间给车载模块供电)、易于添加新功能,重新设计电子电气架构等,是汽车智能化最佳载体;反过来智能化可极大提升电动汽车驾驶体验,扩大电动车差异化竞争优势,推动电动汽车行业发展。


近几年我国新能源汽车智能化发展迅速。其中,消费化趋势的决定性因素——智能驾驶,按功能可划分为:感知系统(环境感知与定位)、决策系统(智能规划与决策)、执行系统(控制执行)三大核心模块。其中感知层主要包括三部分,环境感知、位置感知和速度、压力等其它感知。


感知系统核心技术在传感器,主要技术方案有:摄像头、激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达四种。


自动驾驶决策层的核心在计算平台,芯片与算法都是影响因素,一个计算平台可以包括多种芯片。目前已有名号的车企智能驾驶芯片基本被Mobileye 和 NVIDIA垄断,智能驾驶系统和智能人机交互系统都可以自研,比如蔚来的NIO Pilot。

执行系统包含的部分偏向于硬件。电动汽车的整个驱动系统包括以下几部分:高压电池,带控制单元(用于蓄电池管理)和必要的充电器;电机,带电动控制(动力电子元件)和冷却系统;变速器,包括差速器;制动系统;车内的高压空调。以上可以分为 “大三电”和“小三电”。大三电包括:动力电池、电机和电机控制器;小三电包括:电动助力转向,电动空调和电动助力。

图 1 电动汽车执行部分系统框图

新能源汽车是在VCU整车控制的监管和控制下完成BMS电池管理和MCU电机控制。如图一所示的部分都属于执行系统,都是MOSFET大量应用的区域。


其中,BMS 硬件的设计和具体选型要结合整车及电池系统的功能需求,通用的功能主要包括采集功能(如电压、电流、温度采集)、充电口检测(CC和CC2)和充电唤醒(CP和A+)、继电器控制及状态诊断、绝缘检测、高压互锁、碰撞检测、CAN通讯及数据存储等要求。对应具体类型来说,BMS硬件包括电源IC、CPU、采样IC、高驱IC、其他IC部件、隔离变压器、RTC、EEPROM和CAN模块等,其中大量应用功率器件。如下图所示,电动汽车中使用功率器件的地方包括电机逆变器、DCDC模块、高压辅助驱动、OBC充电/逆变、电池管理等,不同区域使用MOSFET或IGBT的要求不同。

图 2 电动汽车不同需求的功率器件

在DCDC变换模块,需要根据电动汽车的主要电气系统向12V转换的需求来确定,OBC充电部分在对于使用交流充电桩时控制充电各个硬件模块工作以及通讯诊断连接外部充电设备EVSE。高压辅助驱动模块主要用于驱动电动汽车空调、水泵等工作,实现直流电向交流电的转换。以上这些模块中使用MOSFET的要求和功率如图2所示。此外,纯电动(EV)、混合动力(HEV)、插电式混合动力(PHEV)、48V轻混动力(MHEV)和重混动力(HEV)要求的MOSFET承载功率不同。由于智能辅助驾驶系统(ADAS)的装配应用逐渐增多,12V电气系统已不能提供所需的能量。未来的车载计算机会消耗上千瓦电力,让12V系统的功率消耗殆尽。因此,无论是现在的混合动力、纯电动汽车,还是未来的自动驾驶汽车,都需要48V系统来承受高耗能的负载。所以,48V轻混动力(MHEV)需求将会越来越多。而48V的分布式架构如图3所示,可以更加高效的利用能量,同时也满足大功率用电的需求。在选择MOSFET时,可以选择电动车专用MOSFET,以新洁能为例,如图4,48V控制器的大功率电动汽车可以使用NCE70H13/NCE75H21,此外还有NCE6990、NCE7190、NCE7580、NCE70H12,根据整体评估VDS和VTH以及最高损耗功率对应的导通电阻Ron来选择合适的MOSFET。

图 3 48VMEHV的分布式架构

图 4 新洁能48V控制器可选用的MOSFET

电动汽车部分除以上提及的模块以外,如图5所示,对于整车来说,除了驱动控制,汽车灯具、仪表显示面板、影音系统,也都需要MOSFET。

图 5 功率器件在汽车上的其他应用部位


电动汽车相关产业中,充电桩是MOSFET的另一应用最多的地方。


如图6,充电桩有大功率快充和有序慢充两种。直流充电桩输出功率高,功率半导体器件用量高于交流充电桩。

图 6

慢充是由交流充电桩(或220V电源)通过车载充电机将交流转化为直流给电池充电,充电桩规格一般有16A、32A和64A,也可通过家用电源进行充电。


快充是由直流充电桩输出直流给电池充电,可实现1C甚至更高倍率充电,一般45min可充进80%电量。通过充电桩的辅助电源A+信号唤醒,国标中快充流程比较复杂,而且充电桩生产厂家对于国标流程未明确的技术细节理解不同也给车辆充电适配性造成极大的挑战,因此快充适配性是衡量BMS产品性能的一项关键指标。


充电桩一般由通信模块、开关电源模块及控制模块等构成。其中,MOSFET是开关电源模块中最核心的部分,是实现电能高效率转换,确保充电桩稳定不过热的关键器件。在直流充电桩中,交流电进入充电桩后, MOSFET 通过控制芯片来控制电流通段,形成脉冲电流,再通过电感耦合转换为新能源汽车需要的直流电源。


如图所示是新能源汽车充电系统结构简图,高功率直流充电,要比家用车库充电采用的交流充电模式复杂,同时,充电时常短也是显而易见的。目前,如果想要达到燃油车加油那样的效率和时长,则需要在5min内完成80%的充电,假设纯电动车平均单车带电量50kWh来看,需要480kW功率的直流充电桩才可以达到目标,因此,公共建设的充电桩多为直流桩。而目前已经建设的较大功率的充电桩是特斯拉v3超充桩,超充系统中每个充电桩都能独享250kw的充电功率。但是,大功率直流充电桩与车辆的快充适配是需要重视的问题。

特斯拉近日出现的Model 3在一处特斯拉超级充电桩上充电后,出现断电无法启动,且车窗无法关闭现象。特斯拉售后描述为充电枪抽出瞬间电流过载导致烟火保险丝熔掉,车辆逆变器损坏。轰轰烈烈的讨论有之,有说服力的说法。在特斯拉整体推进超级快充网络的时候,输入的功率限制条件下,出现了输入交流功率和输出功率系统失衡,输入交流负荷差异时,在不同输出能力的时候,存在一定的功率负荷差距的。储能系统平衡不好,就可能出现功率负荷存在很大的落差导致了后续问题。由此,可以看出BMS产品性能能够体现在快充适配性当中。


也因此,在硬件设计过程中,尤其是使用直流大功率充电桩对电动汽车充电,要注意二者之间的功率差,保证足够裕量的储能系统。并且,其中所使用的MOSFET应当是满足二者要求的。选取足够耐压BVDSS的MOSFET、根据系统驱动电压选择不同阈值电压VTH的MOSFET、根据功率损耗选取合适的RDSON的MOSFET。此外,还要注意其开关特性、二极管特性、雪崩损坏阈值等。

新洁能专业从事半导体功率器件的研发与销售。新洁能的产品线,包括中低压普通沟槽型功率MOSFET、高压超结功率MOSFET两大主要产品系列,以及中低压SGT、IGBT等新产品。新洁能拥有800多种型号的细分产品,广泛应用于消费电子、汽车电子、变频家电、新能源汽车及充电桩、LED等领域,销售的客户则主要集中在国内消费电子类、汽车电子类等企业。目前公司主要产品包括:12V~200V沟槽型功率MOSFET(N沟道和P沟道),主要应用于 PC、手机等消费电子领域;30V~300V屏蔽栅功率MOSFET(N沟道和P沟道),主要用于高端电源管理、电机驱动、汽车电子等领域;500V~900V超结功率MOSFET;600V~1350V沟槽栅场截止型IGBT,与功率 MOSFET 相比,更侧重于大电流、低频应用领域。是国内半导体功率器件设计公司,功率MOSFET产品系列全,品种、型号丰富的企业,也是成为国内成功研发并量产超结MOSFET的企业。能够为工程师的电路提供多样化的功率器件选择。




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