凌力尔特工程师就汽车电子发展趋势答记者问

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被采访者:

Greg Zimmer

凌力尔特公司 高级产品市场工程师

Q1.目前,汽车电子领域有哪些新的发展趋势?

1:我们看到,电池系统一直在向模块化设计转变。典型的电动型汽车和混合电动型汽车应用需要超过 100 节电池,这些电池的外形尺寸对电池包设计有显著影响。采用大尺寸电池意味着,电池包设计必须应对在尺寸和重量方面显著受限的问题。此外,这些电池可能分散在车辆内一个很大的区域上,以高效利用空间。将一个由很多电池组成的电池包分成模块,有助于更容易地应对这些物理限制,并为电池包提供一种模块化、可扩展的设计方法。这种方法允许相同的模块用在多种电池包设计中。模块化设计的主要挑战是,当地电位差可能超过数百伏特时,各个模块与主 BMS 控制单元之间的数据连接必须可靠。下一代电池管理产品寻求提供高速、长距离、具备高抗 RF 干扰性能的通信功能,以应对这类模块化电池设计挑战。

我们看到,人们对测量准确度越来越重视了。汽车电池系统的头号要求是,充分利用系统中每一节电池的容量。为了实现这一目标,必须以高于今天所能实现的准确度测量并控制每节电池的充电状态。电池监视电子产品必须提供极高的电池电压测量精确度。这将需要在电池监视数据采集系统领域有重大创新,以提高准确度,同时消除汽车环境中遇到的显著电气噪声之影响。

此外,我们还看到,人们对功能安全性日益重视了,“功能安全性” 指的是由故障导致的人身伤害风险已经得到最大限度降低,到了可接受的水平。“汽车安全完整性等级 (Automotive Safety Integrity Level,简称 ASIL)” 是一个评价系统,量化了实现功能安全性所需做的工作。

凌力尔特最先进的电池组监视器 LTC6804 包括一些实现功能安全性的内部功能:

  • 跨 12 节电池进行测量,实现冗余 “电池之和” 测量
  • 测量内部电源电压以进行故障检测
  • 包括 5 个连接至冗余监视器、传感器、EEPROM、ADC 或 DAC 的通用 I/O
  • 提供完整的 ISO26262 文件

 

Q2.贵公司近年来在汽车电子领域发展态势如何? 营收情况如何?

2:2015 财年,汽车市场在我们的业务中占比为 19%,2013 财年为 17%,2009 财年为 8%。如需了解要点,请查阅我们最新的年度报告:

https://cds.linear.com/docs/en/investor/2014_Annual_Report_final.pdf

汽车电气化是整个汽车行业正在经历的一个现象。可方便地买到的电动动力传动系统正在加速新能源汽车的电气化过程。凌力尔特公司专注于多种面向电动型汽车和内燃机 (ICE) 型汽车的电子应用。

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凌力尔特公司网站提供面向这些应用的各种产品之完整手册:

https://cds.linear.com/docs/en/solutions-manual/2015_Linear_Automotive.pdf

 

Q3.混合动力/纯电动汽车的发展为半导体厂商带来了那些机遇和挑战? 贵公司针对混合动力/纯电动汽车有哪些创新技术?

3:今天的汽车半导体产品必须设计成满足非常严格的环境、可靠性及行车安全标准要求。这包括制造完成后确保一致的性能、工作温度范围为 -40°C 至 125°C、长达 15 年的使用寿命。现场故障率必须保持绝对最低,因此需要不断改进设计、质量和制造过程。

用作汽车行车安全系统组成部分的半导体产品必须按照 ISO 26262 的要求设计。这涉及到专用的半导体设计、制造和应用方法。就凌力尔特的 LTC6804 而言,全套自测试功能已经设计到产品中,以确保不存在潜在故障问题。为了实现这个目标,LTC6804 采用了一个冗余电压基准、广泛的逻辑测试电路、断线检测功能、一个看门狗定时器以及针对串行接口的数据包差错校验功能。

凌力尔特面向混合动力 / 电池供电的电动型汽车提供最先进的电池组监视器 LTC6804。这款第三代 IC 可测量电压高达 4.2V 的 12 节串联连接的电池,提供 16 位分辨率和高于 0.04% 的准确度。该 IC 提供 6 种工作模式,以优化更新率、分辨率以及内置 3 阶噪声滤波器的低通响应。在最快模式,所有电池都可以在 290μs 内完成测量。使用凌力尔特专有的两线 isoSPI™ 接口,多个 LTC6804 可以长距离互连并同时工作。

每个 LTC6804 都包含一个集成的 isoSPI 接口,以提供高达 1Mbps 的抗 RF 噪声性能。仅用双绞线和简单的脉冲变压器,isoSPI 接口就可支持长达 100 米的传输距离。驱动电流和信号门限用两个电阻器配置,从而允许系统针对电缆长度和信噪比性能而优化。要连接 isoSPI 与诸如微处理器等外部 SPI 器件,可使用凌力尔特的 LTC6820 isoSPI 收发器。LTC6820 是 LTC6804 的伴随器件,在 isoSPI 和 SPI (串行外围接口总线) 之间进行转换。有两种通信选项可用。采用 LTC6804-1 时,多个器件以 isoSPI 菊花链方式连接,一个主处理器连接所有器件。采用 LTC6804-2 时,多个器件并联连接至主处理器,每个器件单独寻址。LTC6804 设计为最大限度降低功耗,尤其在长期储存、电池泄漏不可接受时。在休眠模式,LTC6804 仅从电池吸取不到 4μA 电流。通用 I/O 引脚可用来监视诸如电流、温度等模拟信号,并可通过电池电压测量同时捕获这些信号。其他特点包括,通过定时时长达两小时的可编程容量平衡定时器,针对每节电池进行无源容量平衡,甚至在 LTC6804 处于休眠模式时。LTC6804 与诸如温度传感器、ADC、DAC 和 EEPROM 等外部 I2C 器件连接。本机 EEPROM 可用来存储串行化和校准数据,以实现模块化系统。LTC6804 全面规定在 -40°C 至 125°C 温度范围内工作,提供全套自测试功能,以确保不存在潜在故障问题。为了实现这个目标,LTC6804 提供一个冗余电压基准、广泛的逻辑测试电路、断线检测功能、一个看门狗定时器以及针对串行接口的数据包差错校验功能。

此外,混合动力 / 电池供电电动型汽车需要从电池组获得较长的可用运行时间。既然电池大小对汽车总体成本有很大影响,那么最大限度提高电池容量就非常重要了。使电池容量不能得到全部充分利用的主要限制因素是电池容量失衡。为了使失配电池进入 SoC 容量平衡状态,BMS 必须采用某些类型的容量平衡方法。有源容量平衡超越了今天常用的纯耗能性无源容量平衡。通过在整个电池组中重新分配电荷,有源容量平衡补偿了最薄弱的电池导致的容量损失。有源容量平衡的结果是充电更快速、运行时间更长以及电池组的可用寿命更长。凌力尔特提供两种在高压电池组中实现有源容量平衡的高性能半导体器件 LTC3300 和 LT8584。

LTC3300 是针对故障提供保护的控制器 IC,可用来为包含多节电池的电池组实现基于变压器的双向有源容量平衡。该 IC 集成了所有有关的栅极驱动电路、精确的电流检测、故障检测电路以及内置看门狗定时器的坚固串行接口。每个 LTC3300 可平衡多达 6 节串联连接电池的容量,输入共模电压高达 36V。来自任何选定电池的电荷都可以高效率传送给 12 节或更多相邻电池。独特的电平转换 SPI 兼容串行接口使多个 LTC3300-1 器件能够串联连接,而无需光耦合器或隔离器,从而允许对一长串串联连接电池中的每一节电池进行容量平衡。

LT8584 是一款单片反激式 DC/DC 转换器,用来实现高压电池组的有源容量平衡。高效率开关稳压器显著提高了可实现的容量平衡电流,同时减少了所产生的热量。有源容量平衡还允许由失配电池组成的电池组恢复容量,这一点用无源容量平衡系统是做不到的。在典型系统中,可以恢复超过 99% 的总电池容量。

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