在電動汽車中,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)化可實現(xiàn)緊湊的空間,同時實現(xiàn)更低的DTC(面向成本的設(shè)計)。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)級集成式動力總成解決方案的基礎(chǔ)。

對于電動汽車設(shè)計工程師來說,提高效率、可靠性和延長行駛里程,同時降低動力總成系統(tǒng)昂貴的成本,無疑是一個巨大的挑戰(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外殼中,成為一個電動汽車動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)的進步,現(xiàn)在設(shè)計人員可以用單個域控制器和功率級來組合這些系統(tǒng),提高效率和可靠性,同時降低成本并符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

電動汽車時代已經(jīng)開啟

電動汽車時代的趨勢已然形成。到2035年,通用汽車將淘汰汽油和柴油汽車;福特汽車將在2030年前在歐洲實現(xiàn)全電動;英國提前到2030年淘汰柴油和汽油車;UPS和亞馬遜等車隊將訂購數(shù)千輛零排放電動卡車……

對消費者和汽車愛好者來說,下一個十年將是自“肌肉車”時代以來最令人興奮的選車時刻。彭博新能源財經(jīng)稱,到2026年,美國將展出大約130種不同型號的零排放汽車,而目前大約有15種。

圖:各種電動汽車產(chǎn)量走勢

這輛車最需要高效率

在電動汽車中,各種傳感器、高級娛樂系統(tǒng)等電子設(shè)備已陸續(xù)搭載,而車輛耗電量對續(xù)航里程有直接影響,沒有高效率的動力總成就難以為繼。另外,目前電動汽車成本比內(nèi)燃機車高40%左右。統(tǒng)計表明,有購買電動汽車意向的消費者美國為30%,歐洲60%,中國70%。成本和行駛里程仍是阻礙電動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汽車價格居高不下的唯一原因,但自2010年以來,電池價格已下降了89%,未來還可能繼續(xù)下降。商業(yè)模式研究表明,其他選項也是降低成本并使主機廠實現(xiàn)盈利的重要因素。更緊密、功率組件更少、盒子更少的動力總成集成將是加權(quán)選項。

在電動汽車中,制動器、動力系統(tǒng)和其他關(guān)鍵系統(tǒng)都依靠電池供電,借助先進處理器和軟件可以從功率源頭——動力總成提升效率。

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

從面向成本的設(shè)計出發(fā)

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

現(xiàn)代電動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)化可實現(xiàn)緊湊的空間,同時實現(xiàn)更低的DTC(面向成本的設(shè)計)。此外,在同樣功率下,更高電壓可提高效率,因為不用使用大電流,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DTC產(chǎn)生積極影響的還包括功率性能的改進,也就是增強了功率密度。動力總成系統(tǒng)的功效和大小決定電動汽車的性能,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)是實現(xiàn)更高水平的功率密度。電動汽車行業(yè)正在通過集成將功率密度目標(biāo)擴展到動力總成系統(tǒng),在更緊湊的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的效率。

在電動汽車中,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)電源都會發(fā)生重大變化。

圖:電動汽車動力總成系統(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)級集成式動力總成解決方案的基礎(chǔ)。

三措并舉,實現(xiàn)尺寸和成本減半

降低電動汽車成本,改善消費體驗才能提高其普及率,而全面實現(xiàn)動力總成系統(tǒng)集成,可以在簡化設(shè)計和功能安全認(rèn)證,增強可靠性的同時降低成本;提高系統(tǒng)效率,延長行駛里程。

先定幾個小目標(biāo):

用更少的器件、更小的解決方案尺寸和更簡單的設(shè)計;

實現(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;

簡化ASIL D級合規(guī)性認(rèn)證。

全面的動力總成集成是怎樣實現(xiàn)的呢?

一是使用單個動力總成域控制器、功率級和機械外殼,或設(shè)計分布式電源架構(gòu);

二是集成傳統(tǒng)動力總成系統(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);

三是在機械、控制或動力總成層面進行集成。

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

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,又可將動力總成集成分為基礎(chǔ)機械層面集成(物理集成),以及更復(fù)雜的控制邏輯和功率層級的集成。

圖:全方位動力總成集成

例如,電機控制器、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驅(qū)動部分的成本、重量和體積。

用什么來優(yōu)化?

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

如TI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?！?/p>

因此,實現(xiàn)更高效率和更高功率密度的方法之一是將動力總成系統(tǒng)集成到一個緊湊的機械外殼中,這不僅使設(shè)計和組裝更簡單,還減少了對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)可以實現(xiàn)業(yè)界超快的實時控制環(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%,同時減少所需的冷卻器件和成本,從而延長行駛里程。

“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)動器一起使用,可以將磁性元件體積減小59%,實現(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)計要素

新型集成驅(qū)動器的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時溫度信息,更靈活地實現(xiàn)動態(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)動器集成簡化設(shè)計,減少PCB面積

MCU助推更高開關(guān)頻率

要將集成式動力總成架構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)實,還需要實時微控制器(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,實現(xiàn)整個系統(tǒng)更高的效率。

圖:實現(xiàn)超高功率密度和98%效率的能力

C2000實時MCU具有高即時指令集,如浮點運算單元和三角函數(shù)加速器,可以顯著減少復(fù)雜計算所需周期數(shù),在不提高開關(guān)頻率的前提下提高整個環(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。

借助采用單個實時MCU的集成式動力總成,系統(tǒng)可以有效地處理分布式系統(tǒng)中多個MCU的工作。在高度集成的設(shè)計中,實時MCU可以執(zhí)行數(shù)字電源和電機控制,提高效率。

此外,通過實時感測和更高環(huán)路開關(guān)頻率,可以將牽引電機驅(qū)動到20krpm,使汽車工程師能夠制造出比之前只能達(dá)到10krpm的設(shè)計小三分之一以上且性能更高的電機。

可靠性符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)

電動汽車的可靠性也是設(shè)計中非常重要的方面,C2000系列內(nèi)置豐富的模擬功能模塊,如DC、DAC及比較器等,可以實現(xiàn)低至30ns內(nèi)的響應(yīng)時間,對故障診斷和保護做出反應(yīng)。完全純硬件響應(yīng)不需要CPU模塊參與,進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

滿足功能安全要求的隔離驅(qū)動器UCC5870系列15A的峰值電流驅(qū)動能力,可以滿足大多數(shù)MOSFET和IGBT驅(qū)動的需求,加上優(yōu)化散熱系統(tǒng)設(shè)計的超小引線式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)實現(xiàn)短路保護,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)動開關(guān)管的相應(yīng)動作,實現(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)機制,可以減少功能安全相關(guān)應(yīng)用的成本。

圖:提高電動汽車的可靠性和性能

在電動汽車中,系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。因為出現(xiàn)故障的零件更少,集成式動力總成架構(gòu)更可靠。除了集成系統(tǒng)的固有優(yōu)勢之外,要確保在電動汽車高壓電池環(huán)境中的可靠性,還需要強大的保護功能和峰值熱性能。

借助針對嚴(yán)苛汽車環(huán)境設(shè)計和測試的隔離式柵極驅(qū)動器和調(diào)制器,隔離技術(shù)可幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。集成式診斷功能也是安全方程式的重要組成部分,可幫助動力總成系統(tǒng)符合ASIL D要求,這是道路機動車輛功能安全的最高級別要求,也是電動主機廠面臨的一個主要難題。

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)主機廠和造車新勢力,其OBC和DC-DC市場占有率國內(nèi)最大。

威邁斯副總裁韓永杰在介紹與半導(dǎo)體廠商在電動汽車領(lǐng)域合作情況時表示:“目前,新能源汽車的發(fā)展有兩個明顯的趨勢,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,而動力系統(tǒng)的集成正是未來發(fā)展方向?！?/p>

他以電動汽車電驅(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兩個盒子放在一個盒子里,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多合一集成為電動汽車電驅(qū)系統(tǒng),共用機殼、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軟件平臺和功能安全設(shè)計,融入以太網(wǎng)傳輸、車輛OTA智能升級以及網(wǎng)絡(luò)信息安全防護等功能,為客戶功能拓展、整車集成、輕量化和成本控制等多個方面帶來效益。

他說:“集成對產(chǎn)品的實時控制和精度要求都非常高,C2000系列和UCC5870驅(qū)動芯片扮演了很重要的角色。利用先進半導(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,對降低整車重量和空間有很大幫助?！?/p>

圖:多合一集成電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)

集成化方案讓尺寸和成本減半

電動汽車市場正在快速增長,未來的增長取決于實現(xiàn)輕量化、延長續(xù)航里程和降低成本,并讓主機廠有利可圖。

綜上所述,集成化解決方案提高了功率密度,可以從幾個方面將系統(tǒng)尺寸降低50%,成本降低一半:多合一設(shè)計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)動系統(tǒng)體積和重量;簡化功能安全系統(tǒng)開發(fā)和認(rèn)證,而這些都與成本密切相關(guān)。