在電動汽車中,更高電壓可將相同電流轉換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優化可實現緊湊的空間,同時實現更低的DTC(面向成本的設計)。半導體廠商所要做的就是將高效電力電子架構所需的功能更多地集成到IC當中。這是系統級集成式動力總成解決方案的基礎。

對于電動汽車設計工程師來說,提高效率、可靠性和延長行駛里程,同時降低動力總成系統昂貴的成本,無疑是一個巨大的挑戰。如果能將電池、DC-DC轉換器、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的進步,現在設計人員可以用單個域控制器和功率級來組合這些系統,提高效率和可靠性,同時降低成本并符合功能安全標準。

電動汽車時代已經開啟

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、高級娛樂系統等電子設備已陸續搭載,而車輛耗電量對續航里程有直接影響,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燃機車高40%左右。統計表明,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%,未來還可能繼續下降。商業模式研究表明,其他選項也是降低成本并使主機廠實現盈利的重要因素。更緊密、功率組件更少、盒子更少的動力總成集成將是加權選項。

在電動汽車中,制動器、動力系統和其他關鍵系統都依靠電池供電,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、節能和緊湊型系統的需求,同時也可以解決主機廠當前盈利能力不足的問題。

從面向成本的設計出發

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計,優化電池堆疊和封裝,有更高的電壓和更大的馬力,以實現高續航里程。

現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換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優化可實現緊湊的空間,同時實現更低的DTC(面向成本的設計)。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域的關鍵品質因數,目標是實現更高水平的功率密度。電動汽車行業正在通過集成將功率密度目標擴展到動力總成系統,在更緊湊的空間內實現更高的效率。

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轉換器和牽引逆變器在內的動力總成子系統拓撲架構、集成IC解決方案和半導體開關電源都會發生重大變化。

圖:電動汽車動力總成系統框圖

半導體廠商所要做的就是將高效電力電子架構所需的功能更多地集成到IC當中。這是系統級集成式動力總成解決方案的基礎。

三措并舉,實現尺寸和成本減半

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

先定幾個小目標:

用更少的器件、更小的解決方案尺寸和更簡單的設計;

實現業界超高功率密度和98%的系統效率;

通過優化熱性能提高系統可靠性;

簡化ASIL D級合規性認證。

全面的動力總成集成是怎樣實現的呢?

一是使用單個動力總成域控制器、功率級和機械外殼,或設計分布式電源架構;

二是集成傳統動力總成系統,包括逆變器、配電單元(PDU)、高壓DC-DC轉換器、車載充電器和電源管理系統(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尺寸減小50%的同時將成本減半。

具體來看,根據集成模塊數量的不同,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。根據集成難易程度,又可將動力總成集成分為基礎機械層面集成(物理集成),以及更復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化系統架構,通過共享控制電路降低整個驅動部分的成本、重量和體積。

用什么來優化?

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從分布式電源架構到單個動力域控制器方案的轉變。

如TI中國區汽車業務部現場技術應用經理周東寶所說:“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,實現更高效率和更高功率密度的方法之一是將動力總成系統集成到一個緊湊的機械外殼中,這不僅使設計和組裝更簡單,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重量并減小了體積。除此之外,還有很多優化措施。

新型功率器件減小系統體積

利用符合汽車標準的氮化鎵(GaN)技術可以實現業界超快的實時控制環路,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與經過優化的高速柵極驅動器一起使用,可以將磁性元件體積減小59%,實現兩倍的功率密度,從而降低總體重量和成本,”周東寶說。

圖:將系統成本和尺寸減半的設計要素

新型集成驅動器的GaN FET的柵極電容和輸出電容都比硅器件更小,也沒有傳統GaN MOSFET寄生二極管的反向恢復問題,能以高達2．2MHz開關頻率工作,開關損耗非常低。再結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。

氮化鎵功率器件內置數字溫度采樣功能可以提供實時溫度信息,更靈活地實現動態的系統熱管理。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:智能隔離式柵極驅動器集成簡化設計,減少PCB面積

MCU助推更高開關頻率

要將集成式動力總成架構變為現實,還需要實時微控制器(MCU)處理電源轉換的復雜需求。超低延遲的C2000?系列可以可以實現更高開關頻率,提供高達925MIPS的處理能力,結合靈活配置的高精度PWM模塊,可以輕松適配各種復雜的電源拓撲及更高階控制算法,實現整個系統更高的效率。

圖:實現超高功率密度和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加速器,可以顯著減少復雜計算所需周期數,在不提高開關頻率的前提下提高整個環路效率,再結合氮化鎵的高開關頻率和低開關損耗特性,可顯著減少磁性元器件尺寸,提高系統的效率和功率密度。

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

此外,通過實時感測和更高環路開關頻率,可以將牽引電機驅動到20krpm,使汽車工程師能夠制造出比之前只能達到10krpm的設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準

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

滿足功能安全要求的隔離驅動器UCC5870系列15A的峰值電流驅動能力,可以滿足大多數MOSFET和IGBT驅動的需求,加上優化散熱系統設計的超小引線式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,保證整個開關管非常高效的開通和關斷,從而達到更高的效率。

UCC5870系列可以在200ns內實現短路保護,共模抑制比達到150V/ns,可在更惡劣的噪聲環境下保持可靠通信,保證正確驅動開關管的相應動作,實現更高的系統可靠性。UCC5870還內置了超過50多種功能安全相關機制,可以減少功能安全相關應用的成本。

圖:提高電動汽車的可靠性和性能

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

借助針對嚴苛汽車環境設計和測試的隔離式柵極驅動器和調制器,隔離技術可幫助應對這些挑戰。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、奇瑞汽車的供應商,目前客戶有50多家,涵蓋傳統主機廠和造車新勢力,其OBC和DC-DC市場占有率國內最大。

威邁斯副總裁韓永杰在介紹與半導體廠商在電動汽車領域合作情況時表示:“目前,新能源汽車的發展有兩個明顯的趨勢,第一是提升性能,第二是降低成本,減少產品的體積和重量,而動力系統的集成正是未來發展方向。”

他以電動汽車電驅系統為例介紹說,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,利用軟硬件深度結合共享包括變壓器在內的很多功率器件。

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系統,共用機殼、冷卻系統甚至功率器件,有效降低了產品體積和成本。基于AUTOSAR軟件平臺和功能安全設計,融入以太網傳輸、車輛OTA智能升級以及網絡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:“集成對產品的實時控制和精度要求都非常高,C2000系列和UCC5870驅動芯片扮演了很重要的角色。利用先進半導體器件開發的產品功率密度高,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。”

圖:多合一集成電動汽車電驅系統

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輕量化、延長續航里程和降低成本,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尺寸降低50%,成本降低一半:多合一設計共享外殼及冷卻系統,減少連接器數量;共享控制及功率電路等,降低電驅動系統體積和重量;簡化功能安全系統開發和認證,而這些都與成本密切相關。