隨著電動汽車相關技術快速發(fā)展，以及各國政府在政策方面的持續(xù)推進，越來越多的汽車消費者購買意向開始轉向電動汽車，尤其是在中國。相關數(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日北京搖號新政實施后的首期新能源小客車指標配置結果公布，勢必會激發(fā)新一輪的購車熱。
然而不可否認，消費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格問題，從而阻礙了新能源汽車的進一步普及。據(jù)悉，電動汽車的平均生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)內燃機汽車高出 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+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、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)。即便是加上各種補貼，如今同款電動汽車價格也比油車要高出5-10萬。
在電池技術不斷進步的同時，其他領域也在尋找突破進一步降低成本，動力系統(tǒng)是關鍵。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)設計成本削減一半，同時有效提高功率密度、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)品和技術支持可以幫助客戶全面實現(xiàn)動力總成系統(tǒng)方案的集成。我們預計集成化的方案可以幫助整個系統(tǒng)的尺寸和成本都降低一半。” 德州儀器中國區(qū)汽車業(yè)務部現(xiàn)場技術應用經(jīng)理周東寶表示。
如何實現(xiàn)減半的呢？周東寶指出有四個方面：
·電驅動系統(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，有效地降低電驅動系統(tǒng)的體積、重量和成本，同時提高電驅動系統(tǒng)的功率密度；
·更好地實現(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)進行熱性能的優(yōu)化，保證系統(tǒng)的可靠性。
同時，TI注意到功能安全是電驅動系統(tǒng)中的一個非常重要的設計指標，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)和認證工作。
傳統(tǒng)動力傳動系統(tǒng)包括電機控制器、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，又可以分為基礎的機械層面的集成（物理集成），以及更復雜的控制邏輯和功率層級方面的集成。“通過使用TI的解決方案，客戶可以實現(xiàn)從分布式的電源架構到單個動力域的控制器方案的轉變。整個系統(tǒng)的復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，但同時挑戰(zhàn)也會越來越多。” 周東寶說道，“針對設計上的挑戰(zhàn)，TI會協(xié)助客戶一起解決。”
TI提供的是電機控制器、車載充電器和DC/DC的三合一的解決方案，大幅度優(yōu)化整個系統(tǒng)的架構，通過共享部分的控制電路降低整個驅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先的半導體公司，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925MIPS的處理能力，同時結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雜的電源拓撲，以及更高階的控制算法，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)更高的效率。
TI最新的集成驅動器的GaN FET能以高達2.2MHz的開關頻率工作，同時保持非常低的開關損耗。另外，結合TI定制開發(fā)的低寄生電感的增強散熱型的切片式封裝，可以實現(xiàn)兩倍的功率密度的提升，同時將磁性元器件減小59%。
隔離驅動器UCC5870系列可以提供高達15A的峰值電流驅動能力，無需外加功率放大電路，也能夠保證整個開關管可以進行非常高效的開通和關斷，從而達到更高的效率。
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±0.3°C。更高的溫度傳感器精度，可以幫助客戶在設計整個系統(tǒng)時留有更小的設計余量。同時，系統(tǒng)動態(tài)溫度補償時精度可以更高，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計中非常重要的一個方面，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系列微控制器內置豐富的模擬功能模塊，如DC、DAC以及比較器等，可以實現(xiàn)低至30ns以內的響應時間，響應診斷保護和故障等。由于完全是純硬件的控制，不需要CPU模塊的參與，因此可更進一步地提高系統(tǒng)的可靠性。
GaN FET器件內置的數(shù)字溫度的采樣功能可以提供實時的溫度信息，從而可以更靈活地實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的熱管理。TI將常用的過流、短路、過溫和欠壓等保護功能集成到GaN開關管里，無需外加分立電路。同時內置的短路和過流保護的電路可以在低至100ns的時間內響應，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。
隔離驅動器UCC5870系列可以在200ns的時間內進行短路保護，同時實現(xiàn)了業(yè)界領先的共模抑制比（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，保證可以正確地驅動開關管進行相應的動作，從而達到更高的系統(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。同時，數(shù)字接口內置的循環(huán)冗余校驗功能也能確保在高噪聲的電磁環(huán)境下能夠進行可靠通訊。
系統(tǒng)成本和尺寸減半
C2000具有高即時指令集，可以顯著地減少復雜計算所需要的周期數(shù)。再結合氮化鎵和碳化硅器件的高開關頻率和低開關損耗的特征，可以顯著地減少磁性元器件的尺寸，提高整個系統(tǒng)的效率，從而也提高了整個系統(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，預計可以使車載充電器和DC/DC的尺寸減少到50%。
隔離驅動器UCC5870系列由于峰值電流能力高達15A，可以滿足大多數(shù)MOSET和IGBT驅動的需求。同時內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芯片內置超過50多種功能安全相關的機制，在功能安全相關的應用中，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)化整個散熱系統(tǒng)的設計，能夠幫助客戶更進一步地降低成本。
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計資源，而這些參考設計并非只是把各個芯片簡單地組合到一起。“我們在做這些參考設計的時候考慮到了系統(tǒng)整體的性能要求，我們會把整體的EMI性能考慮進去，包括怎么選拓撲、怎么選控制策略，整套方案都會考慮在內，如此才會使整體產(chǎn)品的性能滿足要求。” 德州儀器EV/HEV SEM團隊成員TüV SüD認證功能安全工程師曹偉杰介紹道。
簡化安全認證
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)設計的開發(fā)和認證：
一是提供符合功能安全標準的產(chǎn)品。如隔離驅動器UCC5870，是按照TI經(jīng)過TüV SüD認證的功能安全產(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可以提供整個器件功能安全的FIT值以及失效模式的分布等技術文檔，幫助客戶進行功能安全的設計。
第二，為了加速客戶開發(fā)時間，TI與TüV SüD合作，開發(fā)了可以達到ASIL D功能等級的集成牽引驅動器和DC/DC直流變換器的升級參考設計TIDM-02009，該設計使用了TI最新的C2000系列MCU以及UCC5870隔離驅動器，可以實現(xiàn)高達20 000rpm的轉速，以及2 MHz的開關頻率。
整個動力系統(tǒng)都將走向集成
隨著眾多廠商入局汽車，半導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)主機廠和造車新勢力，同時與TI正在保持著深度合作。“在過去這幾年，我們與TI在產(chǎn)品的持續(xù)創(chuàng)新、前瞻的高性能產(chǎn)品應用，以及專業(yè)的技術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動力系統(tǒng)將趨向于集成。“從未來的發(fā)展來講，實際上還要進一步地集成。威邁斯在這一塊做了很多工作，我們在應用上也是與TI在進行深度的合作，尤其是在C2000和UCC5870驅動芯片產(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。
