在電動(dòng)汽車中,更高電壓可將相同電流轉(zhuǎn)換為更大的馬力,。電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)緊湊的空間,同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的DTC(面向成本的設(shè)計(jì)),。半導(dǎo)體廠商所要做的就是將高效電力電子架構(gòu)所需的功能更多地集成到IC當(dāng)中,。這是系統(tǒng)級(jí)集成式動(dòng)力總成解決方案的基礎(chǔ)。

對(duì)于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)工程師來說,提高效率,、可靠性和延長(zhǎng)行駛里程,同時(shí)降低動(dòng)力總成系統(tǒng)昂貴的成本,無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),。如果能將電池、DC-DC轉(zhuǎn)換器,、車載充電器(OBC)和牽引逆變器封裝在一個(gè)外殼中,成為一個(gè)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成集成就可以解決很多問題。

隨著模擬和嵌入式處理技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員可以用單個(gè)域控制器和功率級(jí)來組合這些系統(tǒng),提高效率和可靠性,同時(shí)降低成本并符合功能安全標(biāo)準(zhǔn),。

電動(dòng)汽車時(shí)代已經(jīng)開啟

電動(dòng)汽車時(shí)代的趨勢(shì)已然形成,。到2035年,通用汽車將淘汰汽油和柴油汽車;福特汽車將在2030年前在歐洲實(shí)現(xiàn)全電動(dòng);英國(guó)提前到2030年淘汰柴油和汽油車;UPS和亞馬遜等車隊(duì)將訂購(gòu)數(shù)千輛零排放電動(dòng)卡車……

對(duì)消費(fèi)者和汽車愛好者來說,下一個(gè)十年將是自“肌肉車”時(shí)代以來最令人興奮的選車時(shí)刻。彭博新能源財(cái)經(jīng)稱,到2026年,美國(guó)將展出大約130種不同型號(hào)的零排放汽車,而目前大約有15種,。

圖:各種電動(dòng)汽車產(chǎn)量走勢(shì)

這輛車最需要高效率

在電動(dòng)汽車中,各種傳感器,、高級(jí)娛樂系統(tǒng)等電子設(shè)備已陸續(xù)搭載,而車輛耗電量對(duì)續(xù)航里程有直接影響,沒有高效率的動(dòng)力總成就難以為繼。另外,目前電動(dòng)汽車成本比內(nèi)燃機(jī)車高40%左右,。統(tǒng)計(jì)表明,有購(gòu)買電動(dòng)汽車意向的消費(fèi)者美國(guó)為30%,歐洲60%,中國(guó)70%,。成本和行駛里程仍是阻礙電動(dòng)汽車普及的主要因素,。

從哪里入手解決上述問題呢?起初,人們以為電池成本是電動(dòng)汽車價(jià)格居高不下的唯一原因,但自2010年以來,電池價(jià)格已下降了89%,未來還可能繼續(xù)下降。商業(yè)模式研究表明,其他選項(xiàng)也是降低成本并使主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)盈利的重要因素,。更緊密,、功率組件更少、盒子更少的動(dòng)力總成集成將是加權(quán)選項(xiàng),。

在電動(dòng)汽車中,制動(dòng)器,、動(dòng)力系統(tǒng)和其他關(guān)鍵系統(tǒng)都依靠電池供電,借助先進(jìn)處理器和軟件可以從功率源頭——?jiǎng)恿偝商嵘省?/p>

此外,隨著消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車接受程度的提高,還要滿足他們對(duì)更好性能、更長(zhǎng)行駛里程,、節(jié)能和緊湊型系統(tǒng)的需求,同時(shí)也可以解決主機(jī)廠當(dāng)前盈利能力不足的問題,。

從面向成本的設(shè)計(jì)出發(fā)

受消費(fèi)者歡迎的電動(dòng)汽車的共同之處在于,采用全新的動(dòng)力總成平臺(tái)設(shè)計(jì),優(yōu)化電池堆疊和封裝,有更高的電壓和更大的馬力,以實(shí)現(xiàn)高續(xù)航里程。

現(xiàn)代電動(dòng)汽車的電池電壓通常為400V,但要獲得更大馬力,則需要將電池電壓提高至800V,尤其是在高端電動(dòng)汽車中,。更高電壓可將相同電流轉(zhuǎn)換為更大的馬力,。電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)緊湊的空間,同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的DTC(面向成本的設(shè)計(jì))。此外,在同樣功率下,更高電壓可提高效率,因?yàn)椴挥檬褂么箅娏?可降低熱耗散,。直徑更小的電纜和更低的重量又降低了DTC,。

對(duì)DTC產(chǎn)生積極影響的還包括功率性能的改進(jìn),也就是增強(qiáng)了功率密度。動(dòng)力總成系統(tǒng)的功效和大小決定電動(dòng)汽車的性能,功效與體積的比率是電源管理領(lǐng)域的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù),目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高水平的功率密度,。電動(dòng)汽車行業(yè)正在通過集成將功率密度目標(biāo)擴(kuò)展到動(dòng)力總成系統(tǒng),在更緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率,。

在電動(dòng)汽車中,緊湊空間意味著更小的印刷電路板和外殼材料。包括車載充電器(OBC),、DC-DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器在內(nèi)的動(dòng)力總成子系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu),、集成IC解決方案和半導(dǎo)體開關(guān)電源都會(huì)發(fā)生重大變化。

圖:電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)框圖

半導(dǎo)體廠商所要做的就是將高效電力電子架構(gòu)所需的功能更多地集成到IC當(dāng)中,。這是系統(tǒng)級(jí)集成式動(dòng)力總成解決方案的基礎(chǔ),。

三措并舉,實(shí)現(xiàn)尺寸和成本減半

降低電動(dòng)汽車成本,改善消費(fèi)體驗(yàn)才能提高其普及率,而全面實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成系統(tǒng)集成,可以在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和功能安全認(rèn)證,增強(qiáng)可靠性的同時(shí)降低成本;提高系統(tǒng)效率,延長(zhǎng)行駛里程。

先定幾個(gè)小目標(biāo):

用更少的器件,、更小的解決方案尺寸和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì);

實(shí)現(xiàn)業(yè)界超高功率密度和98%的系統(tǒng)效率;

通過優(yōu)化熱性能提高系統(tǒng)可靠性;

簡(jiǎn)化ASIL D級(jí)合規(guī)性認(rèn)證,。

全面的動(dòng)力總成集成是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢?

一是使用單個(gè)動(dòng)力總成域控制器、功率級(jí)和機(jī)械外殼,或設(shè)計(jì)分布式電源架構(gòu);

二是集成傳統(tǒng)動(dòng)力總成系統(tǒng),包括逆變器,、配電單元(PDU),、高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器和電源管理系統(tǒng)(BMS);

三是在機(jī)械,、控制或動(dòng)力總成層面進(jìn)行集成,。

三措并舉,就有可能在動(dòng)力總成系統(tǒng)尺寸減小50%的同時(shí)將成本減半。

具體來看,根據(jù)集成模塊數(shù)量的不同,可以分為二合一方案,、三合一方案,、五合一方案等幾種不同組合。根據(jù)集成難易程度,又可將動(dòng)力總成集成分為基礎(chǔ)機(jī)械層面集成(物理集成),以及更復(fù)雜的控制邏輯和功率層級(jí)的集成。

圖:全方位動(dòng)力總成集成

例如,電機(jī)控制器,、車載充電器和DC-DC的三合一解決方案可以大幅度優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu),通過共享控制電路降低整個(gè)驅(qū)動(dòng)部分的成本,、重量和體積。

用什么來優(yōu)化?

TI(德州儀器)的一系列動(dòng)力總成解決方案可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)從分布式電源架構(gòu)到單個(gè)動(dòng)力域控制器方案的轉(zhuǎn)變,。

如TI中國(guó)區(qū)汽車業(yè)務(wù)部現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶所說:“每千克重量都是效率的重要組成部分,如果可以減輕汽車重量,就可以提高整體效率,增加一次充電可以行駛的里程,。”

因此,實(shí)現(xiàn)更高效率和更高功率密度的方法之一是將動(dòng)力總成系統(tǒng)集成到一個(gè)緊湊的機(jī)械外殼中,這不僅使設(shè)計(jì)和組裝更簡(jiǎn)單,還減少了對(duì)多余包裝材料的需求,消除了冗余硬件,從而大大減輕了系統(tǒng)重量并減小了體積,。除此之外,還有很多優(yōu)化措施,。

新型功率器件減小系統(tǒng)體積

利用符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵(GaN)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)業(yè)界超快的實(shí)時(shí)控制環(huán)路,減小電感器和電容器等外部元件體積,將車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器尺寸減小50%,同時(shí)減少所需的冷卻器件和成本,從而延長(zhǎng)行駛里程。

“用GaN等材料制成的寬帶隙開關(guān)與經(jīng)過優(yōu)化的高速柵極驅(qū)動(dòng)器一起使用,可以將磁性元件體積減小59%,實(shí)現(xiàn)兩倍的功率密度,從而降低總體重量和成本,”周東寶說,。

圖:將系統(tǒng)成本和尺寸減半的設(shè)計(jì)要素

新型集成驅(qū)動(dòng)器的GaN FET的柵極電容和輸出電容都比硅器件更小,也沒有傳統(tǒng)GaN MOSFET寄生二極管的反向恢復(fù)問題,能以高達(dá)2．2MHz開關(guān)頻率工作,開關(guān)損耗非常低,。再結(jié)合定制的低寄生電感增強(qiáng)散熱型貼片式封裝,可提升兩倍功率密度,大幅減小磁性元器件。

氮化鎵功率器件內(nèi)置數(shù)字溫度采樣功能可以提供實(shí)時(shí)溫度信息,更靈活地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)熱管理,。GaN FET集成了常用的過流,、短路、過溫和欠壓等保護(hù)功能,客戶無需外加分立電路,。

與現(xiàn)有硅和碳化硅MOSET方案相比,使用氮化鎵器件可使車載充電器和DC-DC尺寸減少50%,。

圖:智能隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器集成簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),減少PCB面積

MCU助推更高開關(guān)頻率

要將集成式動(dòng)力總成架構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),還需要實(shí)時(shí)微控制器(MCU)處理電源轉(zhuǎn)換的復(fù)雜需求。超低延遲的C2000?系列可以可以實(shí)現(xiàn)更高開關(guān)頻率,提供高達(dá)925MIPS的處理能力,結(jié)合靈活配置的高精度PWM模塊,可以輕松適配各種復(fù)雜的電源拓?fù)浼案唠A控制算法,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)更高的效率,。

圖:實(shí)現(xiàn)超高功率密度和98%效率的能力

C2000實(shí)時(shí)MCU具有高即時(shí)指令集,如浮點(diǎn)運(yùn)算單元和三角函數(shù)加速器,可以顯著減少?gòu)?fù)雜計(jì)算所需周期數(shù),在不提高開關(guān)頻率的前提下提高整個(gè)環(huán)路效率,再結(jié)合氮化鎵的高開關(guān)頻率和低開關(guān)損耗特性,可顯著減少磁性元器件尺寸,提高系統(tǒng)的效率和功率密度,。

借助采用單個(gè)實(shí)時(shí)MCU的集成式動(dòng)力總成,系統(tǒng)可以有效地處理分布式系統(tǒng)中多個(gè)MCU的工作。在高度集成的設(shè)計(jì)中,實(shí)時(shí)MCU可以執(zhí)行數(shù)字電源和電機(jī)控制,提高效率,。

此外,通過實(shí)時(shí)感測(cè)和更高環(huán)路開關(guān)頻率,可以將牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)到20krpm,使汽車工程師能夠制造出比之前只能達(dá)到10krpm的設(shè)計(jì)小三分之一以上且性能更高的電機(jī),。

可靠性符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)

電動(dòng)汽車的可靠性也是設(shè)計(jì)中非常重要的方面,C2000系列內(nèi)置豐富的模擬功能模塊,如DC、DAC及比較器等,可以實(shí)現(xiàn)低至30ns內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間,對(duì)故障診斷和保護(hù)做出反應(yīng),。完全純硬件響應(yīng)不需要CPU模塊參與,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,。

滿足功能安全要求的隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870系列15A的峰值電流驅(qū)動(dòng)能力,可以滿足大多數(shù)MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)的需求,加上優(yōu)化散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超小引線式175°C高精度溫度傳感器,客戶不需要再外加額外的功率放大電路,保證整個(gè)開關(guān)管非常高效的開通和關(guān)斷,從而達(dá)到更高的效率。

UCC5870系列可以在200ns內(nèi)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù),共模抑制比達(dá)到150V/ns,可在更惡劣的噪聲環(huán)境下保持可靠通信,保證正確驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的相應(yīng)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性,。UCC5870還內(nèi)置了超過50多種功能安全相關(guān)機(jī)制,可以減少功能安全相關(guān)應(yīng)用的成本,。

圖:提高電動(dòng)汽車的可靠性和性能

在電動(dòng)汽車中,系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。因?yàn)槌霈F(xiàn)故障的零件更少,集成式動(dòng)力總成架構(gòu)更可靠,。除了集成系統(tǒng)的固有優(yōu)勢(shì)之外,要確保在電動(dòng)汽車高壓電池環(huán)境中的可靠性,還需要強(qiáng)大的保護(hù)功能和峰值熱性能,。

借助針對(duì)嚴(yán)苛汽車環(huán)境設(shè)計(jì)和測(cè)試的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器,隔離技術(shù)可幫助應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。集成式診斷功能也是安全方程式的重要組成部分,可幫助動(dòng)力總成系統(tǒng)符合ASIL D要求,這是道路機(jī)動(dòng)車輛功能安全的最高級(jí)別要求,也是電動(dòng)主機(jī)廠面臨的一個(gè)主要難題,。

Tier 1現(xiàn)身說法

深圳威邁斯新能源是一家Tier 1,2013年就是上汽,、奇瑞汽車的供應(yīng)商,目前客戶有50多家,涵蓋傳統(tǒng)主機(jī)廠和造車新勢(shì)力,其OBC和DC-DC市場(chǎng)占有率國(guó)內(nèi)最大。

威邁斯副總裁韓永杰在介紹與半導(dǎo)體廠商在電動(dòng)汽車領(lǐng)域合作情況時(shí)表示:“目前,新能源汽車的發(fā)展有兩個(gè)明顯的趨勢(shì),第一是提升性能,第二是降低成本,減少產(chǎn)品的體積和重量,而動(dòng)力系統(tǒng)的集成正是未來發(fā)展方向,?！?/p>

他以電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)為例介紹說,目前比較流行的集成方式是把OBC和DC-DC兩個(gè)盒子放在一個(gè)盒子里,接插件共用。威邁斯的磁集成是更深層次的集成方式,利用軟硬件深度結(jié)合共享包括變壓器在內(nèi)的很多功率器件,。

他介紹說威邁斯將OBC,、DCDC、MCU,、VCU及BMS多合一集成為電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng),共用機(jī)殼,、冷卻系統(tǒng)甚至功率器件,有效降低了產(chǎn)品體積和成本?；贏UTOSAR軟件平臺(tái)和功能安全設(shè)計(jì),融入以太網(wǎng)傳輸,、車輛OTA智能升級(jí)以及網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)等功能,為客戶功能拓展、整車集成,、輕量化和成本控制等多個(gè)方面帶來效益,。

他說:“集成對(duì)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)控制和精度要求都非常高,C2000系列和UCC5870驅(qū)動(dòng)芯片扮演了很重要的角色。利用先進(jìn)半導(dǎo)體器件開發(fā)的產(chǎn)品功率密度高,體積非常小,客戶整車布置靈活性非常高,對(duì)降低整車重量和空間有很大幫助,?！?/p>

圖:多合一集成電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)

集成化方案讓尺寸和成本減半

電動(dòng)汽車市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng),未來的增長(zhǎng)取決于實(shí)現(xiàn)輕量化、延長(zhǎng)續(xù)航里程和降低成本,并讓主機(jī)廠有利可圖,。

綜上所述,集成化解決方案提高了功率密度,可以從幾個(gè)方面將系統(tǒng)尺寸降低50%,成本降低一半:多合一設(shè)計(jì)共享外殼及冷卻系統(tǒng),減少連接器數(shù)量;共享控制及功率電路等,降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積和重量;簡(jiǎn)化功能安全系統(tǒng)開發(fā)和認(rèn)證,而這些都與成本密切相關(guān),。