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电源及数据至关重要:设计电动汽车和自动驾驶应用的四个考虑事项

2021-11-02 11:12:05 Noboru Ando,先进微型互连产品总监,Molex(莫仕) 阅读:
电源及数据至关重要:设计电动汽车和自动驾驶应用的四个考虑事项
在十年左右的时间里,几乎所有的汽车和卡车在技术上都将与之前截然不同。从设计的角度来看,两个最重大的挑战是直流电源和高速数据。那么,鉴于设计复杂性,哪些是电动和自动驾驶汽车设计人员必须考虑的关键事项,确保实现合适的功能、性能和竞争能力?

电动汽车和自动驾驶功能的发展,迅速推动汽车行业追求技术变革,带来了汽车制造方式的范式转变。Rkbednc

莫仕(Molex)最近通过第三方研究公司Dimensional Research采访了230位汽车制造决策者,调查结果显示,91%受访者认为2030年所有新购买的汽车都将是纯电动或混合动力汽车;94%受访者预计在上述时间段内的新车都将具有一定程度的自动驾驶功能。Rkbednc

这意味着在十年左右的时间里,几乎所有的汽车和卡车在技术上都将与之前截然不同。从设计的角度来看,两个最重大的挑战是直流电源和高速数据。那么,鉴于设计复杂性,哪些是电动和自动驾驶汽车设计人员必须考虑的关键事项,确保实现合适的功能、性能和竞争能力?Rkbednc

设计考虑#1:高压动力系统

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随着各种形式的电动汽车系统取代机械和液压系统,对直流电源的需求越来越大,这是普通12V直流系统无法提供的。甚至内燃机和“轻度混合动力”汽车也发生了基础电气系统的演变,电压通常增加了四倍而达到48VDC,而全电动汽车的电源要求则是400VDC以上。而且,更高的电压意味着可以使用更小直径导线,降低成本和重量,缩短充电时间,从而提高效率。Rkbednc

为了确保电力系统在高压环境中的适当安全,互连组件需要更高程度的隔离。此外,处于恶劣的运行环境下的车辆动力总成系统,需要能够承受各种高温、潮湿和振动条件的牢固连接。运行可靠性对于防止车辆故障和相关维修成本也很重要。Rkbednc

设计考虑#2:妥善管理电源

电池管理系统(BMS)可以监控电池的健康状况和充电状态,在确保电动汽车电池的安全性和可靠性方面发挥关键性作用。BMS依靠分布在整个电池的各种传感器来监控电流输出、温度和其他因素。因此,互连组件在保障BMS的连接中发挥着非常重要的作用。Rkbednc

电源连接解决方案

汽车制造商正在竞相满足混合动力车和电动汽车的市场需求,因此一级供应商有机会向他们提供越来越多BMS和动力系统电机控制模块,但其中也有挑战。面对该市场现状,Molex莫仕充分利用其汽车行业专业知识和消费设备经验,开发具有最新EV技术所需的设计功能,以及在恶劣条件下可靠运行的足够坚固的微互连解决方案。Rkbednc

例如,Molex莫仕设计了用于BMS应用的FPC对板连接器,这些连接器具有轻薄和略微凹陷的触点,因此即便在配对时外壳被“舀”入其中,也不会损坏。此外,即使在高强度振动和热冲击下,双梁触点也能够提供连接的完整性。因此客户可以安心,这些高品质微型互连产品可为电池管理提供可靠而稳健的电源。Rkbednc

对于高电压动力系统,Molex莫仕设计了紧凑的1.00mm间距大功率板对板连接器,介电耐受值<100mA(施加低于500V电压时),加上>100MΩ的绝缘电阻(低于1,000VAC/1,600VDC)。而且,这些连接器具有±1.75mm的深度擦拭长度(wipe length)和防尘端子盖,有助于降低短路风险,同时为汽车和消费类客户提供了Molex莫仕闻名业界的可靠性和安全性。Rkbednc

设计考虑#3:满足数据需求

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让我们将重点转向高速数据需求,几十年来汽车一直依赖控制器局域网(CAN)和本地互连网络(LIN)技术。然而,由于这些协议的数据速率的限制,它们无法处理由电子控制单元(ECU)、摄像头、雷达、激光雷达和现今车辆中其它数据生成设备生成的数据量。因此,业界广泛采用基于以太网的连接和区域导向架构(zonal architecture),以提高整个车辆的数据传输效率,同时减少布线重量和成本。在区域导向架构中,使用域控制器单元(domain controller unit,DCU)来取代ECU,因此预计域控制器单元(DCU)将会激增。Rkbednc

设计考虑#4:高性能摄像头

随着车辆朝向更高级别的自动驾驶迈进,车内和车外的ADAS摄像头数量日益增加,一些车型已经拥有10到12个摄像头。这些摄像头需要具备高速数据传输和低延迟特性,以快速向驾驶员安全系统报告潜在的危险。此外,相比现今普遍的130万像素分辨率摄像头,这些车用摄像头必须提供800万像素分辨率。Rkbednc

随着相机模块变得越来越小,它们需要单一PCB布局,而更密集的组件布局产生了更大的电磁干扰(EMI)。最终,摄像机和电缆都必须在高度冲击、振动力和极端温度状况等恶劣条件下可靠运行。Rkbednc

高速数据解决方案

为了满足高数据速率要求,Molex摄像头电缆组件具有3至6GHz带宽,并且具备提供稳健连接的特性,例如可承受110N的强大保持力。集成塑料后壳不仅取代较重的铝后壳,还可以防止EMI影响信号完整性。在电路板级,用于PCIe Gen 4的Molex连接器具有多达200个触点并支持高达20Gbps数据速率,能够充分满足车载网络的带宽需求,并且绰绰有余。Rkbednc

在设计的早期阶段认识并处理这四个关键考虑事项,将会帮助优化性能和功能,以发挥EV和ADAS/AD应用的潜力,实现人们的期待。Rkbednc

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