Электрификация меняет рынок коммерческих автомобилей

Введение

Коммерческие, строительные и сельскохозяйственные транспортные средства находятся в центре внимания новых технологий, направленных на повышение безопасности, сокращение выбросов углекислого газа и твердых частиц, а также на увеличение эксплуатационной и топливной эффективности. Движущей силой этого процесса является сочетание законодательства и растущих требований по снижению выбросов. Законодательные инициативы по нулевой эмиссии вводятся в некоторых европейских городах — Афинах, Мадриде и Париже, а также в Норвегии, правительство которой собирается запретить к 2025 году дизельный транспорт. Другие города объявляют о планах прекратить закупку автобусов на обычном топливе, что заставляет сосредоточиться на электрическом транспорте.

Разработчики промышленных систем также рассматривают вопрос об автоматизации управления транспортом, предусматривающий снижение уровня аварийности и минимизацию вмешательства человека. Электрификация — очевидный путь вперед, и новые технологии внедряются во все электрические и электронные системы, от двигателей и их приводов с компьютерным управлением мощностью до измерения режимов и средств коммуникации. По сравнению с частным пассажирским транспортом сложность CAV оказывается значительно выше не только за счет большого количества датчиков и исполнительных механизмов, но и таких функций, как мониторинг слепых зон и управление колонной, то есть движением грузовых автомобилей, находящихся в непосредственной близости.

Рынок CAV

Несмотря на то, что на дорогах гораздо больше частных автомобилей, чем грузовиков, только на CAV приходится 25% выбросов CO₂ в ЕС и 5% от общего объема парниковых газов, как показано на рис. 1.

Рис. 1. По данным ЕС, 25% выбросов CO₂ создается тяжелым коммерческим транспортом

_Они потребляют гораздо больше дизельного топлива на километр, нежели частные автомобили, и, как правило, работают по многу часов каждый день. Ежедневное использование CAV в течение более десяти часов не является чем-то необычным по сравнению со средней дневной поездкой на автомобиле, продолжающейся около часа. Их типичный режим работы «пуск-остановка», свойственный автобусам и строительным машинам, делает их неэффективными в части потребления топлива. Срок эксплуатации также намного больше, например для автобусов это 1 млн км по сравнению с 200 000 км для автомобилей.

При постоянно растущем спросе на массовый транзит товаров и людей рынок CAV будет увеличиваться в ближайшие годы, и доля полностью или гибридной составляющей также будет намного выше. Исследование McKinsey показывает, что к 2030 году доля электрических грузовиков составит около 15% рынка, а доля небольших коммерческих электрических городских транспортных средств достигнет 35%. Блумберг (BNEF — Bloomberg New Energy Finance) прогнозирует, что во всем мире 80% городских автобусов будут электрическими, а по мнению McKinsey, их доля составит 75%, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Процент продаж электронных автобусов в Европе — из презентации McKinsey на конференции Trends in der Nutzfahrzeugindustrie в Мюнхене, май 2019 года

Энергосбережение является лишь частью задачи, решаемой e‑CAV; McKinsey утверждает, что конечная цель — пятый уровень автономного вождения CAV, который даст общую экономию стоимости владения (TCO) в размере 45% для типового транспортного средства. Законодательное давление присутствует во всем мире. В недавнем постановлении ЕС говорится, что выбросы от новых грузовиков должны быть снижены на 15% к 2025 году и на 30% к 2030‑му [1] по сравнению с 2019 годом. По данным Bloomberg, Китай эксплуатирует 99% из 386 000 общего мирового парка электробусов. В Европе потребность в небольших уличных транспортных средствах доставки удовлетворяется электрическим легким автомобилем немецкого производства StreetScooter, выпущенным в количестве 12000 единиц [2], еще 500 были заказаны для Японии [3].

Электрические приводы на рынке CAV

Эффективность и надежность электрической трансмиссии e‑CAV — ключевой фактор, позволяющий транспортным средствам с нулевым уровнем выбросов зарекомендовать себя в качестве надежной альтернативы современному транспорту, работающему за счет сжигания ископаемого топлива. Так, городские электробусы в Корее имеют запас хода 290 км и могут достигать максимальной скорости 93 км/ч с применением литий-ионных батарей 256 кВт·ч. В трансмиссии использовано два электродвигателя мощностью 120 кВт, управляемых парой инверторов на основе IGBT для снижения стоимости. В подобных применениях на силовые ключи IGBT влияют экстремальные термоциклы, переходные пиковые перенапряжения при сбросе нагрузки и механические вибрационные воздействия. Для того чтобы выдержать подобные стрессовые воздействия, в каждом инверторе использовано три модуля Infineon в корпусе PrimePACK3 с рабочим напряжением 1700 В и током 1000 А — это устройства FF1000R17IE4P [4], выполненные по технологии TRENCHSTOP IGBT4.

В инверторе привода StreetScooter также использованы TRENCHSTOP IGBT вместе с автомобильными микроконтроллерами AURIX и драйверами затворов семейства EiceDRIVER. В DC/DC-конвертере применен Infineon EasyPACK IGBT с рабочим напряжением 650 В и током 100 A [5].

Электробус, схематическое изображение которого показано на рис. 3, рассчитан на интенсивное использование до 16 ч в сутки, 300 дней в году при более чем 60 циклах «старт/стоп» в час. Здесь продемонстрированы преимущества модулей Infineon PrimePACK, выполненных по технологии IGBT5/.XT [6]. Использование медных проводников вместо алюминиевых, спекания для установки кристаллов и высоконадежной технологии пайки для соединения подложки и базовой платы позволило повысить надежность. Более высокая стойкость к термоциклированию компонентов .XT по сравнению со стандартной технологией увеличивает число циклов до отказа в 10 раз, что позволяет избежать использования чрезмерно мощных модулей и снизить совокупный показатель ТСО. По сравнению с технологией IGBT4 приборы IGBT5 демонстрируют повышение плотности мощности на 25% при меньшем уровне потерь.

Рис. 3. Преимущества электробуса от использования технологии IGBT 5.XT

Чаще всего в данном приложении предусмотрены полумостовые модули IGBT Infineon в корпусе EconoDUAL 3 [7] с рабочим током до 900 A и напряжением 1700 В. В большинстве электробусов работают модули этого семейства. Также в EV-системах можно применить приводной модуль HybridPACK [8]. Например, прибор FS820R08A6P2B с током и напряжением 820 A/720 В ориентирован на достижение низких потерь при частичной нагрузке для увеличения пробега в типовых условиях эксплуатации. Это трехфазный модуль, оптимизированный для инверторов мощностью 150 кВт, работающих на частоте до 10 кГц. В настоящее время для расширения линейки продуктов создаются новые компоненты.

Карбид-кремниевые силовые ключи (SiC) также могут применяться в системах e‑CAV. При сопоставимых с IGBT основных свойствах SiC-устройства переключаются на гораздо более высоких частотах. Повышение частоты коммутации до 50 кГц позволяет снизить размер пассивных компонентов и фильтров. Даже при работе на низких частотах SiC-приборы могут уменьшить суммарные потери до 80% по сравнению с IGBT. Примером служит семейство Infineon 1200 В CoolSiC [9], включающее модули и дискретные выводные транзисторы.

Функции вспомогательных преобразователей

Вспомогательные силовые преобразователи необходимы для широкого спектра применений, таких как водяные или гидравлические насосы и компрессоры систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Маломощные приводы тоже устанавливаются в системах рулевого управления для полу- или полностью автономного вождения. В таких устройствах SiC-приборы очень привлекательны с точки зрения их габаритов, веса и эффективности. Системы отопления и охлаждения салона являются хорошими примерами непрерывно работающих устройств, где высокая эффективность преобразования непосредственно обеспечивает снижение разряда батареи и увеличение пробега. Здесь могут быть применены высоко­эффективные IGBT, такие как Infineon IKP, IKW и IKB в корпусе ТО‑247. Использование приборов CoolSiC в SMD-корпусе D2PACK позволяет снизить стоимость производства. В моторных приводах высокая эффективность CoolSiC приборов способствует сокращению размера радиаторов, если они вообще необходимы. Переход на более высокую частоту коммутации означает, что можно уменьшить размеры EMI-фильтров и разделительных конденсаторов.

Электрические CAV содержат встроенные АС/DC зарядные устройства и вспомогательные DC/DC-преобразователи питания систем освещения, информационно-развлекательных и прочих. Использование CoolSiC силовых ключей и диодов в зарядных устройствах и конвертерах дает даже больше преимуществ, чем в моторных приводах, что объясняется заметным уменьшением размеров изолирующих трансформаторов и индуктивных элементов, необходимых на высоких частотах переключения. Это способствует общему снижению стоимости системы по сравнению с решениями на базе IGBT.

Для управления IGBT и CoolSiC нужны драйверы, а также сигналы обратной связи с датчиков. Семейство Infineon EiceDRIVER [10] содержит широкий ряд драйверов для управления IGBT в автомобильных применениях, доступных в одно- и двухканальных вариантах с гальванической изоляцией и двунаправленной передачей сигнала.

Измерение токов, углового положения ротора и частоты вращения необходимо в приводах с регулируемой скоростью или крутящим моментом. Датчики Холла для измерения тока являются экономичным решением для использования в электрогидравлических усилителях рулевого управления (EHPS), как показано на рис. 4. Датчики Холла в автомобильном исполнении XENSIV TLE4999 [11] соответствуют требованиям стандарта ISO 26262 для ASIL-D приложений. Данные приборы имеют два канала измерения для сравнения основных и вспомогательных сигналов на ECU, они обеспечивают полную самодиагностику, защиту данных с циклическим дублированием и проверку цифровых выходов.

Рис. 4. Электрогидравлический усилитель рулевого управления

Датчики на основе эффекта «гигантского магнитного сопротивления» (GMR) или «анизотропного магнитного сопротивления» (AMR) могут использоваться для измерения углов поворота ротора с высокой точностью. Элемент TLE5309D семейства XENSIV содержит по одному сенсору каждого типа для резервирования. Датчики физически разделены в пределах одного корпуса и имеют отдельные источники питания для повышения эксплуатационной безопасности. Еще одним прибором на основе эффекта GMR является полностью резервированный TLE5012BD. Он имеет SPI цифровой интерфейс для задания параметров, диагностики и сбора данных о состоянии устройства.

Управление батареей и системами питания

От приложений e‑CAV требуется длительный срок службы, поэтому подержание рабочего состояния батареи имеет решающее значение для TCO. Системы управления батареей контролируют ее температуру и степень разрядки, чтобы обеспечить точный прогноз оставшегося заряда и возможного пробега e‑CAV. Поскольку аккумулятор заряжается циклически, его отдельные элементы стареют неодинаково, и они должны периодически балансироваться, чтобы поддерживать общее состояние заряда. Системы управления выполняют все эти функции с помощью специализированных IC контроля батареи, таких как Infineon TLE9012/9015. Эта микросхема может контролировать до 12 последовательно соединенных ячеек, измеряя их напряжение с 12‑битовым разрешением АЦП. Она регулирует ток балансировки до 1,5 A и контролирует температуру ячейки, защита данных обеспечивается двумя независимыми внутренними источниками опорного напряжения, сквозной передачей по CRC на скорости 2 Mbps, внутренней диагностикой и аварийным режимом связи.

Особое отличие в требованиях к e‑CAV по сравнению с обычными электромобилями заключается в функции отключения батареи, необходимой в аварийных ситуациях или при погрузке/разгрузке опасных грузов. Это похоже на функцию аварийной остановки, которую можно осуществлять из кабины или снаружи транспортного средства. Полу- или полностью автономные CAV должны иметь резервный источник питания (как правило, 24 В), который может включаться или отключаться при токах, превышающих 1000 А. Традиционным решением является механическое реле, но оно может быть заменено интеллектуальным ключом на базе MOSFET. Демонстратор автомата защиты, разработанный Infineon и Schweizer Electronic AG на основе восьми параллельных приборов IPLU300N04S4‑R8 OptiMOS, показал полное сопротивление канала 110 мкОм при +25 °C и 160 мкОМ при +120 °C. Номинальный продолжительный ток — 300 A, перегрузка может достигнуть 500 A в течение 10 мин при воздушном потоке 50 см³/мин; устройство показано на рис. 5.

Рис. 5. Аварийный выключатель батареи 24 В, 300 A

Драйвер MOSFET Infineon AUIR3242S [12] использован в демонстраторе для управления восемью параллельными MOSFET-транзисторами. Драйвер способен работать при напряжении от 3 В, ток его покоя всего 50 мкА, он также обеспечивает функции диагностики и защиты, например контроль тока затвора. Указанные MOSFET имеют корпус Infineon leadless TOLL, который занимает на 30% меньше места на плате по сравнению с D²PACK, его высота в два раза ниже, а область пайки на 50% больше, что снижает тепловое сопротивление и повышает надежность. Корпуса квалифицированы по AEC-Q101, выполнены по бессвинцовой технологии и подходят для производства 40‑ и 80‑В MOSFET.

Заряд батареи

Для заряда аккумуляторов e‑CAV существуют различные решения. В электрических автобусах, строительных, сельскохозяйственных и сервисных транспортных средствах, скорее всего, будут использоваться более крупные батареи. Машины ежедневно возвращаются в депо, где доступна зарядка AC-током, беспроводная или быстрая DC-током, грузовики обычно заряжаются перед каждой поездкой и после нее. Время может быть ограничено, поэтому предпочтительнее всего быстрая зарядка постоянным током. Небольшие коммерческие автомобили для местных перевозок имеют множество вариантов быстрой зарядки в течение дня, поэтому часто оснащены меньшими и более легкими батареями.

Для разработки силовых каскадов бортовых зарядных AC/DC-устройств можно использовать транзисторы CoolMOS, IGBT или CoolSiC с драйверами EiceDRIVER. Микроконтроллеры AURIX автомобильного класса и приборы OPTIGA обеспечивают функциональный контроль, отвечающий необходимым уровням защиты, а также безопасную аутентификацию и тарификацию. Компоненты Infineon OPTIREG [13] могут найти применение в зарядных устройствах совместно с микросхемами управления питанием (PMIC), импульсными и линейными стабилизаторами автомобильного класса, соответствующими стандарту ISO 26262.

Система управления для безотказной работы

Стандарты Совета по автомобильной электронике (AEC) AEC-Q определяют квалификационные требования стресс-тестов компонентов и являются необходимым условием для поставки элементов на автомобильный рынок наряду с системой качества, соответствующей IATF 16949:2016. Следующие стандарты применяются к большинству из перечисленных продуктов компании Infineon: AEC-Q101 «Стресс-тест для квалификации дискретных полупроводников, основанный на механизме отказа» и AEC-Q104: «Стресс-тест для квалификации мультичиповых модулей (МСМ), основанный на механизме отказа».

Классификация опасных ситуаций, вызванных отказом элементов системы управления автомобилем, дана в ISO 26262 [14], который является адаптацией стандарта IEC 61508 [15], определяющего уровни целостной безопасности (SIL — Safety Integrity Levels). С конца 2018 года этот стандарт также относится к грузовикам, автобусам и даже электрическим мотоциклам. Для автомобильной промышленности применяются автомобильные уровни безопасности (ASIL) в диапазоне от ASIL-A до ASIL-D. В отношении функциональности автономного вождения уровни опасных ситуаций зависят от реализованной степени автоматизации, которая делится Ассоциацией автомобильных инженеров (SAE — Society of Automotive Engineers) на шесть уровней (0–5), описание которых приведено в таблице.

Для обеспечения требуемых уровней безопасности все электронные системы управления e‑CAV должны быть либо отказоустойчивыми, либо генерирующими в случае отказа предупреждение о полной или пониженной функциональности. Для приложений, где безопасность критически важна, также необходимо резервирование мощности. Семейство микроконтроллеров Infineon AURIX [16] удовлетворяет требованиям уровня ASIL-D за счет своих уникальных характеристик:

• защищенный режим загрузки;
• защищенный бортовой обмен данными;
• поддержка обновления ПО «по воздуху» (SOTA):
• защита IP и настроечных протоколов;
• диагностика по OBD/защищенный поток FAR/защита в режиме отладки;
• иммобилайзер;
• полное соответствие eVita по защите от несанкционированного доступа.

Эти устройства представляют собой 32‑разрядные процессоры, имеющие до шести CPU с тактовой частотой до 300 МГц, а также встроенный аппаратный модуль безопасности (HSM — Hardware Security Module). Все приборы оснащены интерфейсом CAN-FD, компоненты последнего поколения AURIX TC3xx поддерживают связь по локальной сети 1 Гбит/Ethernet. Безопасность логистики обеспечивается долгосрочной гарантией доступности от производителя с полной технической поддержкой, предоставляемой Infineon в части программных средств, типовых решений и помощи специалистов.

Датчики, используемые в автомобильных контроллерах, должны быть квалифицированы по необходимым уровням безопасности. Механические и электрические сенсоры используются для мониторинга бортовых режимов, также важную роль играют и внешние датчики. К ним относятся, например, системы RADAR для мониторинга слепых зон с использованием таких чипсетов, как автомобильный Infineon BGTATR12, работающий на частоте 24 ГГц.

Безопасная мощность для безопасных систем

Надежность работы контроллеров зависит от добротности их источников питания, поэтому Infineon предлагает чип системы питания с многоканальным выходом TLF35584, относящийся к семейству PRO-SIL [17]. Это устройство, совместимое с ISO 26262, обеспечивает соответствие уровню безопасности ASIL-D с несколькими защищенными пользовательскими функциями безопасности, такими как шинный мониторинг, обнаружение отказов с применением концепции гибкого сторожевого устройства, и контроллер безопасного состояния, формирующий вторичные цепочки безопасности. Устройство поддерживает внутреннее тестирование для проверки функционирования всех систем.

Максимальное входное напряжение устройства составляет 40 В, поэтому при питании от шины 24 В грузовика необходим стабилизатор, поскольку, согласно стандарту LV124, напряжение питания может достигнуть максимального значения 60 В. Это может быть обычный линейный регулятор, но при этом ухудшается общая эффективность системы. Лучшим решением является недорогой автомобильный DC/DC-стабилизатор TLE6389xx с фиксированным или регулируемым выходом, обеспечивающий гибкость и высокую эффективность [18]. Устройство имеет контроль падения напряжения на входе и выходе и отличается очень низким током покоя и выключения. На рис. 6 показан интерфейс TLF35584 и TLE6389xx с микроконтроллером AURIX.

Рис. 6. Интерфейс TLF35584 и TLE6389 и микроконтроллера AURIX

Линейные и импульсные стабилизаторы OPTIREG и PMIC оптимальны для решения общих задач автомобильной электроники в сочетании с приборами, соответствующими стандарту ISO 26262.

Выводы

Электрификация коммерческих большегрузных автомобилей предоставляет возможность улучшить их топливную и эксплуатационную эффективность и при этом повысить безопасность и снизить вероятность ошибок водителя, приводящих к авариям. Однако это не должно быть реализовано за счет снижения долговечности, срока службы или надежности. Другими словами, есть большие ожидания в отношении электронных компонентов и систем, которые могут быть использованы в автономных транспортных средствах. Ориентируясь на рынок CAV, Infineon старается удовлетворить требования данного сегмента применения, обеспечивая низковольтный сектор компонентами, хорошо зарекомендовавшими себя на автомобильном рынке. Предлагая силовые ключи, сенсоры, коммуникационные элементы и широкий диапазон контроллеров, компания Infineon является поставщиком, предлагающим решения для очень трудного, но захватывающего мира e‑CAV.