隨著電動汽車相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展,，以及各國政府在政策方面的持續(xù)推進(jìn)，越來越多的汽車消費(fèi)者購買意向開始轉(zhuǎn)向電動汽車,，尤其是在中國,。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從2015年-2020年期間,，新能源汽車的整體銷量節(jié)節(jié)攀升，中國市場電動汽車的銷量在2020年達(dá)到了歷史新高（136萬輛）,，這已是我國新能源汽車產(chǎn)銷量連續(xù)6年蟬聯(lián)世界第一,。隨著5月26日北京搖號新政實(shí)施后的首期新能源小客車指標(biāo)配置結(jié)果公布，勢必會激發(fā)新一輪的購車熱,。
然而不可否認(rèn),，消費(fèi)者對于購買電動車的顧慮依然存在，其中最突出的就是里程焦慮和價(jià)格問題,，從而阻礙了新能源汽車的進(jìn)一步普及,。據(jù)悉，電動汽車的平均生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車高出 12,000 美元,。有資料顯示,，從制造成本來看，對于一輛燃油車,，發(fā)動機(jī)+變速箱的成本大約占整車總成本的1/5,；而同一車型的電動汽車，三電系統(tǒng)（電池,、電機(jī),、電控）占據(jù)了整車成本的一半，這一半中近80%的比重由動力電池占據(jù),。即便是加上各種補(bǔ)貼,，如今同款電動汽車價(jià)格也比油車要高出5-10萬。
在電池技術(shù)不斷進(jìn)步的同時(shí),，其他領(lǐng)域也在尋找突破進(jìn)一步降低成本,，動力系統(tǒng)是關(guān)鍵。近期,，德州儀器（TI）發(fā)布了動力總成集成化解決方案,，可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本削減一半，同時(shí)有效提高功率密度,、效率和可靠性,，并讓更多人都能買得起電動汽車。
集成動力總成將尺寸、成本均減半
“TI的產(chǎn)品和技術(shù)支持可以幫助客戶全面實(shí)現(xiàn)動力總成系統(tǒng)方案的集成,。我們預(yù)計(jì)集成化的方案可以幫助整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和成本都降低一半,。” 德州儀器中國區(qū)汽車業(yè)務(wù)部現(xiàn)場技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶表示,。
如何實(shí)現(xiàn)減半的呢,？周東寶指出有四個(gè)方面：
·電驅(qū)動系統(tǒng)多合一的集成化的解決方案通過共享外殼的耦合以及冷卻系統(tǒng)，減少了連接器的數(shù)量,；
·通過更進(jìn)一步的共享控制電路以及共享功率電路等方式,，有效地降低電驅(qū)動系統(tǒng)的體積、重量和成本,，同時(shí)提高電驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度,；
·更好地實(shí)現(xiàn)輕量化，有助于延長電動汽車的續(xù)航里程,；
·通過整體上對系統(tǒng)進(jìn)行熱性能的優(yōu)化,，保證系統(tǒng)的可靠性。
同時(shí),，TI注意到功能安全是電驅(qū)動系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo),，TI集成化的解決方案也有助于簡化功能安全系統(tǒng)的開發(fā)和認(rèn)證工作。
傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)包括電機(jī)控制器,、高壓配電單元,、DC/DC、車載充電器,、電源管理系統(tǒng)（BMS）等,。根據(jù)不同的集成模塊數(shù)量，可分為二合一的方案,、三合一的方案,、五合一的方案。根據(jù)集成的難易程度,，又可以分為基礎(chǔ)的機(jī)械層面的集成（物理集成）,，以及更復(fù)雜的控制邏輯和功率層級方面的集成?！巴ㄟ^使用TI的解決方案,，客戶可以實(shí)現(xiàn)從分布式的電源架構(gòu)到單個(gè)動力域的控制器方案的轉(zhuǎn)變。整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度會隨著整合級別的增加而提高,，對客戶的收益也會越來越高,，但同時(shí)挑戰(zhàn)也會越來越多?！?周東寶說道,，“針對設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，TI會協(xié)助客戶一起解決?！?/p>
TI提供的是電機(jī)控制器,、車載充電器和DC/DC的三合一的解決方案，大幅度優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu),，通過共享部分的控制電路降低整個(gè)驅(qū)動成本的重量和體積,。
98%的效率和超高的功率密度
作為一家歷史悠久的全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，TI擁有豐富的產(chǎn)品多元的產(chǎn)品組合,。周東寶以TI的幾款明星產(chǎn)品：C2000微控制器,、最新的GaN FET、隔離驅(qū)動器UCC5870,、溫度傳感器TMP126的組合為例,，介紹了TI動力總成解決方案的競爭優(yōu)勢。
微控制器C2000系列可以提供高達(dá)925MIPS的處理能力,，同時(shí)結(jié)合可靈活配置的高精度PWM模塊，可以非常輕松地適配各種復(fù)雜的電源拓?fù)?，以及更高階的控制算法,，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)更高的效率。
TI最新的集成驅(qū)動器的GaN FET能以高達(dá)2.2MHz的開關(guān)頻率工作,，同時(shí)保持非常低的開關(guān)損耗,。另外，結(jié)合TI定制開發(fā)的低寄生電感的增強(qiáng)散熱型的切片式封裝,，可以實(shí)現(xiàn)兩倍的功率密度的提升,，同時(shí)將磁性元器件減小59%。
隔離驅(qū)動器UCC5870系列可以提供高達(dá)15A的峰值電流驅(qū)動能力,，無需外加功率放大電路,，也能夠保證整個(gè)開關(guān)管可以進(jìn)行非常高效的開通和關(guān)斷，從而達(dá)到更高的效率,。
溫度傳感器TMP126可以在150°C的環(huán)境溫度下工作,，采樣精度高達(dá)±0.3°C。更高的溫度傳感器精度,，可以幫助客戶在設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)留有更小的設(shè)計(jì)余量,。同時(shí)，系統(tǒng)動態(tài)溫度補(bǔ)償時(shí)精度可以更高,，有助于最大化地提高系統(tǒng)效率,。
系統(tǒng)級可靠性
電動汽車的可靠性是設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)方面，通過TI動力總成解決方案還可以帶來可靠性和性能的提高,。
C2000系列微控制器內(nèi)置豐富的模擬功能模塊,，如DC、DAC以及比較器等，可以實(shí)現(xiàn)低至30ns以內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間,，響應(yīng)診斷保護(hù)和故障等,。由于完全是純硬件的控制，不需要CPU模塊的參與,，因此可更進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的可靠性,。
GaN FET器件內(nèi)置的數(shù)字溫度的采樣功能可以提供實(shí)時(shí)的溫度信息，從而可以更靈活地實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的熱管理,。TI將常用的過流,、短路、過溫和欠壓等保護(hù)功能集成到GaN開關(guān)管里,，無需外加分立電路,。同時(shí)內(nèi)置的短路和過流保護(hù)的電路可以在低至100ns的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性,。
隔離驅(qū)動器UCC5870系列可以在200ns的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行短路保護(hù),，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的共模抑制比（CMTI）（＞150V/ns），意味著芯片可以在更惡劣的噪聲環(huán)境下保持可靠通訊,，保證可以正確地驅(qū)動開關(guān)管進(jìn)行相應(yīng)的動作,，從而達(dá)到更高的系統(tǒng)級可靠性。
溫度傳感器TMP126可以在全溫度范圍下（-40到+175°C）保持非常高的精度,。相比分立器件,，溫飄幾乎可以忽略不計(jì)。同時(shí),，數(shù)字接口內(nèi)置的循環(huán)冗余校驗(yàn)功能也能確保在高噪聲的電磁環(huán)境下能夠進(jìn)行可靠通訊,。
系統(tǒng)成本和尺寸減半
C2000具有高即時(shí)指令集，可以顯著地減少復(fù)雜計(jì)算所需要的周期數(shù),。再結(jié)合氮化鎵和碳化硅器件的高開關(guān)頻率和低開關(guān)損耗的特征,，可以顯著地減少磁性元器件的尺寸，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率,，從而也提高了整個(gè)系統(tǒng)的功率密度,。
據(jù)周東寶介紹，利用氮化鎵器件相比于現(xiàn)有的硅和基于碳化硅的MOSET方案,，預(yù)計(jì)可以使車載充電器和DC/DC的尺寸減少到50%,。
隔離驅(qū)動器UCC5870系列由于峰值電流能力高達(dá)15A，可以滿足大多數(shù)MOSET和IGBT驅(qū)動的需求,。同時(shí)內(nèi)置六通道的隔離采樣ADC,，可以用于溫度、電壓的采集,，減少額外分立的隔離ADC的成本,。UCC5870芯片內(nèi)置超過50多種功能安全相關(guān)的機(jī)制,，在功能安全相關(guān)的應(yīng)用中，可以顯著地減少BOM的成本,。
高精度的溫度傳感器TMP126可以通過優(yōu)化整個(gè)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，能夠幫助客戶更進(jìn)一步地降低成本。
以上組合是TI動力總成眾多解決方案之一,，TI官網(wǎng)上可以找到豐富的參考設(shè)計(jì)資源,，而這些參考設(shè)計(jì)并非只是把各個(gè)芯片簡單地組合到一起?！拔覀冊谧鲞@些參考設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到了系統(tǒng)整體的性能要求,，我們會把整體的EMI性能考慮進(jìn)去，包括怎么選拓?fù)?、怎么選控制策略,，整套方案都會考慮在內(nèi)，如此才會使整體產(chǎn)品的性能滿足要求,?！?德州儀器EV/HEV SEM團(tuán)隊(duì)成員TüV SüD認(rèn)證功能安全工程師曹偉杰介紹道。
簡化安全認(rèn)證
據(jù)周東寶介紹,，TI正在通過兩種途徑幫助客戶簡化功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)和認(rèn)證：
一是提供符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,。如隔離驅(qū)動器UCC5870，是按照TI經(jīng)過TüV SüD認(rèn)證的功能安全產(chǎn)品開發(fā)流程所開發(fā)出的產(chǎn)品,，可以提供完整的功能安全相關(guān)的文檔，如FMEDA,、功能安全手冊,、FIT值等。對于大多數(shù)常用的信號鏈產(chǎn)品,，如簡單的電源和信號鏈產(chǎn)品,，TI可以提供整個(gè)器件功能安全的FIT值以及失效模式的分布等技術(shù)文檔，幫助客戶進(jìn)行功能安全的設(shè)計(jì),。
第二,，為了加速客戶開發(fā)時(shí)間，TI與TüV SüD合作,，開發(fā)了可以達(dá)到ASIL D功能等級的集成牽引驅(qū)動器和DC/DC直流變換器的升級參考設(shè)計(jì)TIDM-02009,，該設(shè)計(jì)使用了TI最新的C2000系列MCU以及UCC5870隔離驅(qū)動器，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)20 000rpm的轉(zhuǎn)速,，以及2 MHz的開關(guān)頻率,。
整個(gè)動力系統(tǒng)都將走向集成
隨著眾多廠商入局汽車，半導(dǎo)體廠商的工作方式也發(fā)生了變化,。曹偉杰表示,，TI現(xiàn)在越來越多地與整車廠,、Tier 1直接合作，向其提供系統(tǒng)解決方案滿足要求,，而不是單純地作為一個(gè)芯片廠商來提供器件,。因此，TI更多的是從系統(tǒng)解決方案的角度入手,，提供一整套解決方案,，以滿足需求。
深圳威邁斯新能源是一家Tier 1,，目前客戶有50多家,，涵蓋傳統(tǒng)主機(jī)廠和造車新勢力，同時(shí)與TI正在保持著深度合作,?！霸谶^去這幾年，我們與TI在產(chǎn)品的持續(xù)創(chuàng)新,、前瞻的高性能產(chǎn)品應(yīng)用,，以及專業(yè)的技術(shù)合作交流上取得了很大的成果?！?深圳威邁斯新能源股份有限公司副總裁兼上海子公司總經(jīng)理韓永杰介紹道,。
目前的集成方案主要是三部分：OBC、DC/DC和PDU,，未來的趨勢會是整個(gè)動力系統(tǒng)將趨向于集成,。“從未來的發(fā)展來講,，實(shí)際上還要進(jìn)一步地集成,。威邁斯在這一塊做了很多工作，我們在應(yīng)用上也是與TI在進(jìn)行深度的合作,，尤其是在C2000和UCC5870驅(qū)動芯片產(chǎn)品上,。” 韓永杰表示,。
動力總成帶來的成本,、尺寸的減少不管是對整車廠還是對終端客戶來說都是大有裨益的，這使得集成化的趨勢成為必然,，盡管目前市場上還沒有看到BMS的集成,，隨著市場的發(fā)展以及技術(shù)的推動，未來的集成可能會包含BMS系統(tǒng),，電動汽車電源管理IC將走向高度集成化,，與燃油車的成本差距也將會不斷縮小。
