電源與資料至關重要:EV/AD應用的4個設計思考

作者 : Noboru Ando,Molex先進微型互連產品總監

從設計的角度來看,兩個最重大的挑戰是直流(DC)電源和高速資料。那麼,鑒於設計複雜性,哪些是電動車和自動駕駛車設計人員必須考慮的關鍵事項,以確保實現合適的功能、性能和競爭能力?

電動車(EV)和自動駕駛(AD)功能的發展,迅速推動汽車產業追求技術變革,帶來了汽車製造方式的典範轉移。

莫仕(Molex)最近透過第三方研究公司Dimensional Research採訪了230名汽車製造決策者,調查結果顯示,91%受訪者認為到2030年,所有新購買的汽車都將是純電動或混合動力車;94%受訪者表示,預計在上述時期內的新車都將具有一定程度的自動駕駛功能。

這意味著在十年左右的時間裡,幾乎所有的車輛和卡車在技術上都將與之前截然不同。從設計的角度來看,兩個最重大的挑戰是直流(DC)電源和高速資料。那麼,鑒於設計複雜性,哪些是電動車和自動駕駛車設計人員必須考慮的關鍵事項,以確保實現合適的功能、性能和競爭能力?

設計思考#1:高電壓動力傳動系統

隨著各種形式的電動車系統取代機械和液壓系統,對DC電源的需求越來越大,這是普通12V DC系統無法提供的。甚至內燃機和「輕度混合動力」車也發生了基礎電氣系統的演變,電壓通常增加了四倍,達到48V DC,而全電動車的電源要求則是400V DC以上。此外,更高的電壓意味著可以使用更小直徑導線、降低成本和重量、縮短充電時間,從而可提供更高的效率。

Power & Data Matter: 4 Design Considerations for Electric Vehicle & Autonomous Driving Applications | Experience Molex

為了確保電力動力傳動系統在高壓環境中的適當安全,互連元件需要更高程度的隔離。除此之外,處於惡劣運行環境下的車輛動力傳力系統,需要能夠承受各種高溫、潮濕和振動條件的穩定接線。運行可靠性對於防止車輛故障和相關維修成本也很重要。

設計思考#2:妥善管理電源

電池管理系統(BMS)可以監控電池的操作是否良好以及充電狀態,在確保電動車電池的安全性和可靠性方面發揮關鍵性作用。BMS依靠分佈在整個電池的各種感測器來監控電流輸出、溫度和其他項目。因此,互連元件在保障BMS的連接中發揮著非常重要的作用。

電源連接解決方案

汽車製造商正競相滿足混合動力車和電動車的市場需求,因此Tier 1供應商有機會向他們提供越來越多BMS和動力傳動系統馬達控制模組,但其中也充滿挑戰。面對該市場現狀,Molex充份利用其汽車業的專業知識和消費性產品經驗,開發具有最新EV技術所需的設計功能,在惡劣條件下能可靠運行且足夠堅固的微互連解決方案。

例如,Molex設計了用於BMS應用的FPC對板連接器,這些連接器具有輕薄和略微凹陷的觸點,因此即便在配接時外殼被「舀」入其中,也不會損壞。另外,即使在高度振動和熱衝擊下,雙柱觸點也能夠提供連接的完整性。因此客戶可以安心,這些高品質微型互連產品能夠為電池管理提供可靠而穩健的電源。

對於高電壓動力傳動系統,Molex設計了精巧的1.00mm間距大功率板對板連接器,介電耐受值小於100mA (施加低於500V電壓時),加上大於100Megohm的絕緣電阻(低於1,000V AC/1,600V DC)。而且,這些連接器具有±1.75mm的深度刮擦長度(wipe length)和防塵端子蓋,有助於降低短路風險,同時為汽車和消費性產品客戶提供可靠性和安全性。

設計思考#3:滿足資料需求

讓我們將重點轉向高速資料需求,幾十年來汽車一直依賴控制器局域網(CAN)和本地互連網路(LIN)技術。然而,由於這些協定的資料速率的限制,它們無法處理由電子控制器(ECU)、攝影鏡頭、雷達、光達和現今車輛中其它資料產生設備所產生的資料量。因此,業界廣泛採用乙太網路連接和中央型的汽車電子電器架構(Zonal架構),以提高整個車輛的資料傳輸效率,同時減少佈線重量和成本。Zonal架構以網域控制器(domain controller unit;DCU)取代ECU,因此預估DCU將會激增。

設計思考#4:高性能攝影鏡頭

隨著車輛向更高程度的自動駕駛技術發展,車內和車外的先進駕駛輔助(ADAS)攝影鏡頭數量也日益增加,一些車型已經擁有10到12個攝影鏡頭。這些攝影鏡頭需要具備高速資料傳輸和低延遲特性,以迅速將可能發生的危險性告知駕駛安全系統。除此之外,目前普遍的是130萬畫素的攝影鏡頭,但這些車用的攝影鏡頭必須高達800萬畫素。隨著相機模組變得越來越小,它們需要單層印刷電路板配置,而更密集的零組件配置會產生更顯著的電磁干擾(EMI)。最後,攝影鏡頭和電纜都必須在高度衝擊、振動力和極端溫度狀況等惡劣條件下可靠運行。

高速資料解決方案

為了滿足高資料速率要求,Molex的攝影鏡頭電纜元件具有3至6GHz頻寬,並且具備提供穩健連接的特性,例如可承受110N的強大保持力。一體成型的塑膠製後殼不僅取代較重的鋁製後殼,還可以防止EMI影響訊號完整性。在電路板方面,用於PCIe Gen 4的Molex連接器具有多達200個觸點,支援高達20Gbps資料速率,有足夠的頻寬來滿足車載網路的需求,並且綽綽有餘。

在設計的早期階段認識並處理這四個關鍵考慮重點,有助於最佳化性能和功能,以發揮EV和ADAS/AD應用的潛力,實現大眾的期望。

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