电动汽车传感和控制解决方案趋势
日期：2023-01-05
新设计确保了安全性，加快了充电和上市时间
作者：Deirdre Hegarty、Martin Poceiro和Ayoub Sidhom，Sensata Technologies
从电动汽车（包括乘用车和商用车车队）到2轮和3轮汽车，运输业的电气化趋势正在改变对不同系统和组件技术的需求，以确保安全，同时加快车辆OEM的充电时间和车辆上市时间。
乘用车——机电制动系统的制动踏板传感技术
汽车行业向电动汽车的发展和自主性的提高要求车辆上的每个系统都具有更高的安全性和性能。因此，诸如制动系统的直接安全装置正在迅速变化。传统的液压制动系统正在转向线控制动，以减轻车辆重量和复杂性。在完全干燥的制动系统中消除液压油提供了额外的环境和维护优势。
由于电子设备取代了线控制动系统中的传统液压部件，因此需要在踏板组件中使用新的传感拓扑。这一趋势加上对功能安全的更严格要求，导致车辆和制动系统制造商考虑采用不同的制动传感技术，以确保机电制动器（EMB）保持或超过传统系统的性能和安全性。
在电液和完全干燥的线控制动系统中，制动踏板传感的典型方法包括使用位置传感器、力传感器或两者的组合。
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图1：制动踏板力传感器为下一代制动系统的开发人员和设计者提供了许多安全和性能优势
虽然位置传感器可以提供与当今全液压制动系统相当的系统输入，但力传感器的更快响应时间提供了在制动事件期间更快反应的机会，缩短了制动距离并增强了安全系统，尤其是在紧急情况下，这最重要（图1）。
电动液压和EMB制动系统的开发人员必须决定如何在其制动设计中使用不同的传感技术，同时确保遵守故障安全和故障操作要求。为了满足这些要求，冗余仍然至关重要，因此制动系统将继续依赖制动踏板内的两个或更多传感器。
在EMB制动踏板总成中使用两个力传感器的情况是，它有助于提供备用控制回路，在响应时间短和检测机械故障方面具有所有优点。这支持完全安全的操作系统，即使主控制回路完全失效，也不会出现系统性能下降。
考虑到这一点，如果发生影响技术的外部问题，例如外部电磁兼容性事件（发射特定电磁场）或部件级故障，则依赖于一种传感拓扑可能会使系统容易受到主要和冗余控制的共模故障的影响。为了实现一个充分冗余的系统，实现每个系统的优点并符合ISO26262等安全标准，制动系统可以使用位置和力传感技术的组合。
将力传感器对驾驶员制动意图的反应速度和灵敏度与控制当前系统中制动灯的高度精确位置传感技术相结合，最大限度地提高了冗余度，并增强了系统的功能安全性。
总之，为了满足下一代汽车（如混合动力汽车和电动汽车（EV））更严格的安全要求，制动系统必须考虑确保系统冗余的最佳解决方案。由于力和位置传感技术都可用，EMB制动踏板控制有机会通过组合力、位置或两者的多个传感器来达到并超过这些标准，从而采取两全其美的方法。
商用车——实现更高的充电水平和上市时间
出于对更快充电的需求，商用电动汽车制造商需要能够处理更高充电功率水平的系统。因此，安全可靠的保护和配电解决方案现在需要能够支持高达850伏特和1300安培的中型和重型电动卡车的兆瓦充电系统。
领先的汽车OEM正在利用新的定制电源管理解决方案，将接触器、保险丝、电流感测、绝缘监测设备（IMD）和控制器技术等组件组合成一个紧凑的封装。商用车制造商选择能够在内部设计和制造解决方案的所有安全关键部件的供应商，因为这有助于简化OEM的生产流程。
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图2：领先的重型电动汽车OEM正在利用新的定制电源管理解决方案，将接触器、保险丝和控制器技术等组件组合成紧凑型封装，提供安全可靠的保护和配电，同时简化其生产流程
供应商正在利用定制设计和跨功能工程专业知识将各种组件打包在一起，以解决不同的系统需求并满足特定的车辆要求（图2）。例如，Sensata Technologies等供应商正在开发垂直集成系统解决方案，并可提供各种高压配电装置，包括：
为了满足道路安全车辆所需的汽车功能安全完整性等级（ASIL），电气系统应符合ISO 26262安全标准。本标准旨在防止和减轻与汽车电子系统开发过程中的系统或硬件故障相关的风险。由于电动客车和商用卡车的技术日益成熟和市场不断增长，根据这一严格的功能安全等级认证的BMS现在必须在全球许多地区获得车辆认证。虽然随着电池包装商和电动商用车OEM优先考虑其平台的功能安全，对ISO 26262认证组件的需求正在增加，但ISO 26262的认证过程复杂、成本高昂，可能需要数年才能完成。经ASIL C认证的现成BMS可以缩短上市时间和相关成本。
然而，功能安全认证解决方案的一个典型挑战是保持最终用户设计的灵活性，这有助于为电池包装商提供更多选项来配置BMS并使其适应各种应用需求。新的电池管理系统设计具有独特的两层软件架构和开放API，有助于保持ISO 26262认证，同时为最终用户提供设计灵活性和更短的上市时间。这允许客户开发自己的软件功能，而无需重新认证BMS。虽然这种BMS被证明为电池包装商和电动汽车OEM节省了成本和时间，但同样的好处也适用于适用类似标准的其他应用，如材料搬运设备和储能系统（ESS）（图3）。
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图3：新的电池管理系统设计，如Sensata Technologies的n3-BMS具有独特的双层软件架构和开放API，有助于保持ISO 26262认证，同时为电池制造商和重型电动汽车OEM提供设计灵活性和更短的上市时间
低压电动汽车，如2轮和3轮——电池管理系统可实现电池热交换，以最大限度地缩短充电时间
随着2轮和3轮汽车转向电动汽车，特别是在印度等极受欢迎的国家，对电池充电时间的担忧可能会降低采用率。解决这一挑战的一个解决方案是热插拔功能和并行电池组支持，以实现耗尽的电池与充满电的电池的快速交换。这也适用于其他低电压应用，例如自动引导车辆和机器人。
例如，对于物料搬运车、运输车和无人机，当返回基地装载新的货物时，车辆耗尽的电池可以快速更换为充电的电池，从而实现持续的正常运行时间。对于电动摩托车和三轮摩托车，不需要每天晚上充电几个小时，完全充电的电池可以在电池交换站快速安装在现场，实际上无需在路上等待和充电，并有助于缓解最终用户对充电时间的担忧。
并联电池组支持允许并联使用两个或多个电池组。该功能允许2轮和3轮的OEM拥有更小的电池模块，从而提高电池系统的安全性和可维护性。例如，如果一个电池单元在使用过程中发生故障，则问题被隔离到一个故障模块，该模块比整个系统更容易更换，并且额外的电池组可以继续供电。
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图4：电池管理系统，如Sensata的i-BMS，可支持热插拔功能和并联电池组，同时便于大规模生产且成本效益高，对实现2轮和3轮等低压电动汽车应用至关重要。
在低压电动汽车应用中实现热插拔功能和并行电池组支持的关键是实现BMS，该BMS配备了所有硬件功能，以管理和维护电池，而无需额外的外部组件，使其成为大规模生产的方便且经济高效的设计（图4）。BMS理想情况下将所有关键组件预集成到系统中，包括预充电电路、车载电流测量、用于电池断开的MOSFET电源开关和DC/DC电源。
电气化大趋势正在迅速改变对不同系统和组件设计的需求，以确保安全，同时加快从乘用车到商用车以及摩托车、滑板车和材料搬运设备等低压应用的电动汽车的充电时间和车辆上市时间。新的传感和控制技术正在推动向下一代电动汽车的转变，这将有助于在全球范围内实现更清洁、更少依赖化石燃料的运输业。
www.sensata.com
作者：Deirdre Hegarty、Martin Poceiro和Ayoub Sidhom，Sensata Technologies
从电动汽车（包括乘用车和商用车车队）到2轮和3轮汽车，运输业的电气化趋势正在改变对不同系统和组件技术的需求，以确保安全，同时加快车辆OEM的充电时间和车辆上市时间。
乘用车——机电制动系统的制动踏板传感技术
汽车行业向电动汽车的发展和自主性的提高要求车辆上的每个系统都具有更高的安全性和性能。因此，诸如制动系统的直接安全装置正在迅速变化。传统的液压制动系统正在转向线控制动，以减轻车辆重量和复杂性。在完全干燥的制动系统中消除液压油提供了额外的环境和维护优势。
由于电子设备取代了线控制动系统中的传统液压部件，因此需要在踏板组件中使用新的传感拓扑。这一趋势加上对功能安全的更严格要求，导致车辆和制动系统制造商考虑采用不同的制动传感技术，以确保机电制动器（EMB）保持或超过传统系统的性能和安全性。
在电液和完全干燥的线控制动系统中，制动踏板传感的典型方法包括使用位置传感器、力传感器或两者的组合。
图1：制动踏板力传感器为下一代制动系统的开发人员和设计者提供了许多安全和性能优势
虽然位置传感器可以提供与当今全液压制动系统相当的系统输入，但力传感器的更快响应时间提供了在制动事件期间更快反应的机会，缩短了制动距离并增强了安全系统，尤其是在紧急情况下，这最重要（图1）。
电动液压和EMB制动系统的开发人员必须决定如何在其制动设计中使用不同的传感技术，同时确保遵守故障安全和故障操作要求。为了满足这些要求，冗余仍然至关重要，因此制动系统将继续依赖制动踏板内的两个或更多传感器。
在EMB制动踏板总成中使用两个力传感器的情况是，它有助于提供备用控制回路，在响应时间短和检测机械故障方面具有所有优点。这支持完全安全的操作系统，即使主控制回路完全失效，也不会出现系统性能下降。
考虑到这一点，如果发生影响技术的外部问题，例如外部电磁兼容性事件（发射特定电磁场）或部件级故障，则依赖于一种传感拓扑可能会使系统容易受到主要和冗余控制的共模故障的影响。为了实现一个充分冗余的系统，实现每个系统的优点并符合ISO26262等安全标准，制动系统可以使用位置和力传感技术的组合。
将力传感器对驾驶员制动意图的反应速度和灵敏度与控制当前系统中制动灯的高度精确位置传感技术相结合，最大限度地提高了冗余度，并增强了系统的功能安全性。
总之，为了满足下一代汽车（如混合动力汽车和电动汽车（EV））更严格的安全要求，制动系统必须考虑确保系统冗余的最佳解决方案。由于力和位置传感技术都可用，EMB制动踏板控制有机会通过组合力、位置或两者的多个传感器来达到并超过这些标准，从而采取两全其美的方法。
商用车——实现更高的充电水平和上市时间
出于对更快充电的需求，商用电动汽车制造商需要能够处理更高充电功率水平的系统。因此，安全可靠的保护和配电解决方案现在需要能够支持高达850伏特和1300安培的中型和重型电动卡车的兆瓦充电系统。
领先的汽车OEM正在利用新的定制电源管理解决方案，将接触器、保险丝、电流感测、绝缘监测设备（IMD）和控制器技术等组件组合成一个紧凑的封装。商用车制造商选择能够在内部设计和制造解决方案的所有安全关键部件的供应商，因为这有助于简化OEM的生产流程。
图2：领先的重型电动汽车OEM正在利用新的定制电源管理解决方案，将接触器、保险丝和控制器技术等组件组合成紧凑型封装，提供安全可靠的保护和配电，同时简化其生产流程
供应商正在利用定制设计和跨功能工程专业知识将各种组件打包在一起，以解决不同的系统需求并满足特定的车辆要求（图2）。例如，Sensata Technologies等供应商正在开发垂直集成系统解决方案，并可提供各种高压配电装置，包括：
- 充电单元用于控制和支持高达兆瓦级的充电，包括与电动汽车通信控制器（EVCC）的潜在集成
- 配电装置用于将电池电力分配给车辆执行器或辅助设备
- 电池断开装置确保电池组的电气安全
为了满足道路安全车辆所需的汽车功能安全完整性等级（ASIL），电气系统应符合ISO 26262安全标准。本标准旨在防止和减轻与汽车电子系统开发过程中的系统或硬件故障相关的风险。由于电动客车和商用卡车的技术日益成熟和市场不断增长，根据这一严格的功能安全等级认证的BMS现在必须在全球许多地区获得车辆认证。虽然随着电池包装商和电动商用车OEM优先考虑其平台的功能安全，对ISO 26262认证组件的需求正在增加，但ISO 26262的认证过程复杂、成本高昂，可能需要数年才能完成。经ASIL C认证的现成BMS可以缩短上市时间和相关成本。
然而，功能安全认证解决方案的一个典型挑战是保持最终用户设计的灵活性，这有助于为电池包装商提供更多选项来配置BMS并使其适应各种应用需求。新的电池管理系统设计具有独特的两层软件架构和开放API，有助于保持ISO 26262认证，同时为最终用户提供设计灵活性和更短的上市时间。这允许客户开发自己的软件功能，而无需重新认证BMS。虽然这种BMS被证明为电池包装商和电动汽车OEM节省了成本和时间，但同样的好处也适用于适用类似标准的其他应用，如材料搬运设备和储能系统（ESS）（图3）。
图3：新的电池管理系统设计，如Sensata Technologies的n3-BMS具有独特的双层软件架构和开放API，有助于保持ISO 26262认证，同时为电池制造商和重型电动汽车OEM提供设计灵活性和更短的上市时间
低压电动汽车，如2轮和3轮——电池管理系统可实现电池热交换，以最大限度地缩短充电时间
随着2轮和3轮汽车转向电动汽车，特别是在印度等极受欢迎的国家，对电池充电时间的担忧可能会降低采用率。解决这一挑战的一个解决方案是热插拔功能和并行电池组支持，以实现耗尽的电池与充满电的电池的快速交换。这也适用于其他低电压应用，例如自动引导车辆和机器人。
例如，对于物料搬运车、运输车和无人机，当返回基地装载新的货物时，车辆耗尽的电池可以快速更换为充电的电池，从而实现持续的正常运行时间。对于电动摩托车和三轮摩托车，不需要每天晚上充电几个小时，完全充电的电池可以在电池交换站快速安装在现场，实际上无需在路上等待和充电，并有助于缓解最终用户对充电时间的担忧。
并联电池组支持允许并联使用两个或多个电池组。该功能允许2轮和3轮的OEM拥有更小的电池模块，从而提高电池系统的安全性和可维护性。例如，如果一个电池单元在使用过程中发生故障，则问题被隔离到一个故障模块，该模块比整个系统更容易更换，并且额外的电池组可以继续供电。
图4：电池管理系统，如Sensata的i-BMS，可支持热插拔功能和并联电池组，同时便于大规模生产且成本效益高，对实现2轮和3轮等低压电动汽车应用至关重要。
在低压电动汽车应用中实现热插拔功能和并行电池组支持的关键是实现BMS，该BMS配备了所有硬件功能，以管理和维护电池，而无需额外的外部组件，使其成为大规模生产的方便且经济高效的设计（图4）。BMS理想情况下将所有关键组件预集成到系统中，包括预充电电路、车载电流测量、用于电池断开的MOSFET电源开关和DC/DC电源。
电气化大趋势正在迅速改变对不同系统和组件设计的需求，以确保安全，同时加快从乘用车到商用车以及摩托车、滑板车和材料搬运设备等低压应用的电动汽车的充电时间和车辆上市时间。新的传感和控制技术正在推动向下一代电动汽车的转变，这将有助于在全球范围内实现更清洁、更少依赖化石燃料的运输业。
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