汽车行业这个概念经常被误解——我们往往只是简单地将其与小汽车及相关的应用联系在一起。其实它的范围要广泛得多,包括诸如公共汽车、卡车、工业用车、移动机械(如采矿设备)、铲车、自动清洁车及紧急和服务用车等在内的许多应用。现在业内每个人都在谈论日渐有名的工业4.0项目,这个项目通常被称为第四次工业革命。

工业4.0提供了所谓的“智能工厂”。在模块化结构的智能工厂里,信息物理系统对流程进行监控,创建物理世界的虚拟副本,并实现分散决策。物联网上,信息物理系统可以实时相互沟通合作,也能与人类沟通合作,通过务联网,内部和全部组织的服务都可以由参与者提供和使用。受工业4.0的影响,汽车行业可引申出汽车4.0的概念。

在2016年,60%以上的汽车都配备了彩色屏幕作为信息娱乐系统的一部分。对司机和乘客所提供的信息质量要求是非常高的。就像我们的其他个人设备一样,我们都期望从我们的汽车里得到相同的用户体验、娱乐以及高速联通性。对汽车制造商来说,这些提高的期望使互操作性和安全性更复杂化了,尤其是当考虑到未来的5G和智能车辆时。

虽然屏幕是“冰山”中的可见一角,汽车中还包含大量其他看不见的计算、传感器和其他元器件而使其更加安全可靠。但总的来说,它们需要越来越高效和强健的电源解决方案。在汽车行业中,电源管理通常是由一组电源管理集成电路(PMIC)实现的——它是集中式嵌入式计算机系统的一部分。半导体制造商提供各种各样的PMIC,最新一代包含了先进的数字控制通信接口。

如果汽车行业代表汽车信息娱乐系统的大众市场,随着大城市的开发和城市间交易需求的发展,现有的列车网络往往不足以满足乘客的需求,因此需要有互补的公共汽车来有效地满足乘客的需求。

最近的一项研究报道说,2018年,全球对巴士的需求量预计年增长率将超过5%,达到664000台,是2008-2013年增长率的两倍。全球使用的巴士的数量在那年有望超过八百万台,其中有许多将会配备先进的信息娱乐和车辆监控设备,因而需要稳定、可靠的电源解决方案。

网联巴士

与飞机和新一代高速列车一样,娱乐设备通常安装在乘客座位内,这就要求本地电源不受线路干扰影响,并具有低水平的射频发射以及无需强迫风冷的工作能力。此外,巴士制造商要求座椅制造商使座椅更简单、更容易维护(和升级),并具有更少的布线和互连。

为了满足这些要求,座位将取决于简化的连接,限制到只有一根电源线及一根用于数据传输的光纤,这意味着给娱乐设备供电的电源必须安装在座椅内,因而也就对电源制造商提出了高要求。

几十年来,这种设备的电源被安置在座椅下面,利用自由空气对流冷却。但新一代的电源模块必须在无气流的情况下工作,因此必须将它们的设计优化成采用传导冷却(例如将基板连接到座椅电枢)。为了降低功耗并优化冷却,电源转换器需要有非常高的额定效率,并且需要将耗散元件直接连接到基板(图1)。电信行业中用在高功率密度转换器中的技术(如平面变压器、热通孔、排热管以及某些情况下使用的热泵)现在也在整个汽车行业得到应用。 EDNC1703PrintCSPowerbox-1 图1:Powerbox公司设计的新一代ENAR100/200 DC/DC直流转换器,旨在以一个封装实现“以不变应万变”;该器件针对汽车应用集成了先进的热管理和高效的拓扑结构。

汽车应用中为信息娱乐系统供电要求电源转换器符合国际标准(如ISO7637),对使用12V或24V电池的道路车辆的传导和耦合试验条件指定电气干扰(图2),因此要求电源公司与设备制造商非常紧密的合作,以确保最终产品可以在完全符合要求的环境中工作。 EDNC1703PrintCSPowerbox-2 图2:这个iso7367-2脉冲测试的例子,通过激励内燃机的起动机电路模拟电源电压降低。ISO7367标准涵盖各种电气干扰试验。

整体车队管理

很少有人意识到现代客车配备了各种先进、强大的电子设备,并且它们需要稳定和可持续的电源(图3)。对于车队管理的可靠性与优化,新一代公共汽车配备了连接到导航系统的实时跟踪功能、发动机调节以及诸如驾驶行为分析仪的安全设备。监测系统对车辆状态进行永久报告,因此也能管理预防性维护并向中心协调员汇报车队的定位。 EDNC1703PrintCSPowerbox-3 图3:安装到现代巴士中的应用,需要稳定的电源和一些车载电池以实现安全操作。

为安全起见,在主电池失效的情况下必须保证重要功能的连续性,因此策略性的系统包含需要微型充电器的车载电池。这些微型充电器与信息娱乐系统电源类似,因为它们通常安装在密闭环境中。因此,它们都需要有高效的针对热管理传导冷却机械结构优化的设计。设计减少因热应力造成的潜在故障至关重要,同时这也能确保车辆在道路上行驶的可靠性。

设计者还必须考虑到电池充电优化的具体要求,例如测量电池温度,以及在某些情况下,电池充电器和中央监控系统之间的通信。这样就需要在整体设计过程中进行全盘考虑,适当地与前几代产品进行性能比较——主要是基于模拟控制、最新一代的集成微控制器以及实时充电优化。有人会说,对于这种应用,在一个微型充电器中增加数字控制是一种矫枉过正的技术,而其他人则会反驳这一观点,声称这种技术已被证实,其在可靠性和电池寿命方面具有优势。

但无论争论如何,对于为公共汽车上安装的信息娱乐系统及其他电子设备提供稳定可靠电压所需的电源个数,我们都需要做出适当考虑。巴士制造商在升级设备时,越来越多地要求电源制造商开发标准化的、易于安装维护并能满足更高供电需求的DC/DC转换器、充电器以及降压调节器。“以不变应万变”的概念不再只是梦想,而是变为现实,这对产品的设计参数来说,降低了机械设计的挑战性。

对于电源设计者,他们欲将先进的电源技术带进公共汽车这样一个曾经采用新技术很慢的市场来说,巴士车队的现代化以及新一代带有现代信息娱乐和各种先进电子设备的巴士汽车为其提供了机会——这个行业现在正大步向汽车4.0迈进。也许这就是那些早期采用者所说的第四次汽车革命吧!