在电动汽车中,更高电压可将相同电流转换为更大的马力。电池堆叠和封装的优化可实现紧凑的空间,同时实现更低的DTC(面向成本的设计)。半导体厂商所要做的就是将高效电力电子架构所需的功能更多地集成到IC当中。这是系统级集成式动力总成解决方案的基础。

对于电动汽车设计工程师来说,提高效率、可靠性和延长行驶里程,同时降低动力总成系统昂贵的成本,无疑是一个巨大的挑战。如果能将电池、DC-DC转换器、车载充电器(OBC)和牵引逆变器封装在一个外壳中,成为一个电动汽车动力总成集成就可以解决很多问题。

随着模拟和嵌入式处理技术的进步,现在设计人员可以用单个域控制器和功率级来组合这些系统,提高效率和可靠性,同时降低成本并符合功能安全标准。

电动汽车时代已经开启

电动汽车时代的趋势已然形成。到2035年,通用汽车将淘汰汽油和柴油汽车;福特汽车将在2030年前在欧洲实现全电动;英国提前到2030年淘汰柴油和汽油车;UPS和亚马逊等车队将订购数千辆零排放电动卡车……

对消费者和汽车爱好者来说,下一个十年将是自“肌肉车”时代以来最令人兴奋的选车时刻。彭博新能源财经称,到2026年,美国将展出大约130种不同型号的零排放汽车,而目前大约有15种。

图:各种电动汽车产量走势

这辆车最需要高效率

在电动汽车中,各种传感器、高级娱乐系统等电子设备已陆续搭载,而车辆耗电量对续航里程有直接影响,没有高效率的动力总成就难以为继。另外,目前电动汽车成本比内燃机车高40%左右。统计表明,有购买电动汽车意向的消费者美国为30%,欧洲60%,中国70%。成本和行驶里程仍是阻碍电动汽车普及的主要因素。

从哪里入手解决上述问题呢?起初,人们以为电池成本是电动汽车价格居高不下的唯一原因,但自2010年以来,电池价格已下降了89%,未来还可能继续下降。商业模式研究表明,其他选项也是降低成本并使主机厂实现盈利的重要因素。更紧密、功率组件更少、盒子更少的动力总成集成将是加权选项。

在电动汽车中,制动器、动力系统和其他关键系统都依靠电池供电,借助先进处理器和软件可以从功率源头——动力总成提升效率。

此外,随着消费者对电动汽车接受程度的提高,还要满足他们对更好性能、更长行驶里程、节能和紧凑型系统的需求,同时也可以解决主机厂当前盈利能力不足的问题。

从面向成本的设计出发

受消费者欢迎的电动汽车的共同之处在于,采用全新的动力总成平台设计,优化电池堆叠和封装,有更高的电压和更大的马力,以实现高续航里程。

现代电动汽车的电池电压通常为400V,但要获得更大马力,则需要将电池电压提高至800V,尤其是在高端电动汽车中。更高电压可将相同电流转换为更大的马力。电池堆叠和封装的优化可实现紧凑的空间,同时实现更低的DTC(面向成本的设计)。此外,在同样功率下,更高电压可提高效率,因为不用使用大电流,可降低热耗散。直径更小的电缆和更低的重量又降低了DTC。

对DTC产生积极影响的还包括功率性能的改进,也就是增强了功率密度。动力总成系统的功效和大小决定电动汽车的性能,功效与体积的比率是电源管理领域的关键品质因数,目标是实现更高水平的功率密度。电动汽车行业正在通过集成将功率密度目标扩展到动力总成系统,在更紧凑的空间内实现更高的效率。

在电动汽车中,紧凑空间意味着更小的印刷电路板和外壳材料。包括车载充电器(OBC)、DC-DC转换器和牵引逆变器在内的动力总成子系统拓扑架构、集成IC解决方案和半导体开关电源都会发生重大变化。

图:电动汽车动力总成系统框图

半导体厂商所要做的就是将高效电力电子架构所需的功能更多地集成到IC当中。这是系统级集成式动力总成解决方案的基础。

三措并举,实现尺寸和成本减半

降低电动汽车成本,改善消费体验才能提高其普及率,而全面实现动力总成系统集成,可以在简化设计和功能安全认证,增强可靠性的同时降低成本;提高系统效率,延长行驶里程。

先定几个小目标:

用更少的器件、更小的解决方案尺寸和更简单的设计;

实现业界超高功率密度和98%的系统效率;

通过优化热性能提高系统可靠性;

简化ASIL D级合规性认证。

全面的动力总成集成是怎样实现的呢?

一是使用单个动力总成域控制器、功率级和机械外壳,或设计分布式电源架构;

二是集成传统动力总成系统,包括逆变器、配电单元(PDU)、高压DC-DC转换器、车载充电器和电源管理系统(BMS);

三是在机械、控制或动力总成层面进行集成。

三措并举,就有可能在动力总成系统尺寸减小50%的同时将成本减半。

具体来看,根据集成模块数量的不同,可以分为二合一方案、三合一方案、五合一方案等几种不同组合。根据集成难易程度,又可将动力总成集成分为基础机械层面集成(物理集成),以及更复杂的控制逻辑和功率层级的集成。

图:全方位动力总成集成

例如,电机控制器、车载充电器和DC-DC的三合一解决方案可以大幅度优化系统架构,通过共享控制电路降低整个驱动部分的成本、重量和体积。

用什么来优化?

TI(德州仪器)的一系列动力总成解决方案可以帮助客户实现从分布式电源架构到单个动力域控制器方案的转变。

如TI中国区汽车业务部现场技术应用经理周东宝所说:“每千克重量都是效率的重要组成部分,如果可以减轻汽车重量,就可以提高整体效率,增加一次充电可以行驶的里程。”

因此,实现更高效率和更高功率密度的方法之一是将动力总成系统集成到一个紧凑的机械外壳中,这不仅使设计和组装更简单,还减少了对多余包装材料的需求,消除了冗余硬件,从而大大减轻了系统重量并减小了体积。除此之外,还有很多优化措施。

新型功率器件减小系统体积

利用符合汽车标准的氮化镓(GaN)技术可以实现业界超快的实时控制环路,减小电感器和电容器等外部元件体积,将车载充电器和DC-DC转换器尺寸减小50%,同时减少所需的冷却器件和成本,从而延长行驶里程。

“用GaN等材料制成的宽带隙开关与经过优化的高速栅极驱动器一起使用,可以将磁性元件体积减小59%,实现两倍的功率密度,从而降低总体重量和成本,”周东宝说。

图:将系统成本和尺寸减半的设计要素

新型集成驱动器的GaN FET的栅极电容和输出电容都比硅器件更小,也没有传统GaN MOSFET寄生二极管的反向恢复问题,能以高达2．2MHz开关频率工作,开关损耗非常低。再结合定制的低寄生电感增强散热型贴片式封装,可提升两倍功率密度,大幅减小磁性元器件。

氮化镓功率器件内置数字温度采样功能可以提供实时温度信息,更灵活地实现动态的系统热管理。GaN FET集成了常用的过流、短路、过温和欠压等保护功能,客户无需外加分立电路。

与现有硅和碳化硅MOSET方案相比,使用氮化镓器件可使车载充电器和DC-DC尺寸减少50%。

图:智能隔离式栅极驱动器集成简化设计,减少PCB面积

MCU助推更高开关频率

要将集成式动力总成架构变为现实,还需要实时微控制器(MCU)处理电源转换的复杂需求。超低延迟的C2000?系列可以可以实现更高开关频率,提供高达925MIPS的处理能力,结合灵活配置的高精度PWM模块,可以轻松适配各种复杂的电源拓扑及更高阶控制算法,实现整个系统更高的效率。

图:实现超高功率密度和98%效率的能力

C2000实时MCU具有高即时指令集,如浮点运算单元和三角函数加速器,可以显著减少复杂计算所需周期数,在不提高开关频率的前提下提高整个环路效率,再结合氮化镓的高开关频率和低开关损耗特性,可显著减少磁性元器件尺寸,提高系统的效率和功率密度。

借助采用单个实时MCU的集成式动力总成,系统可以有效地处理分布式系统中多个MCU的工作。在高度集成的设计中,实时MCU可以执行数字电源和电机控制,提高效率。

此外,通过实时感测和更高环路开关频率,可以将牵引电机驱动到20krpm,使汽车工程师能够制造出比之前只能达到10krpm的设计小三分之一以上且性能更高的电机。

可靠性符合功能安全标准

电动汽车的可靠性也是设计中非常重要的方面,C2000系列内置丰富的模拟功能模块,如DC、DAC及比较器等,可以实现低至30ns内的响应时间,对故障诊断和保护做出反应。完全纯硬件响应不需要CPU模块参与,进一步提高系统的可靠性。

满足功能安全要求的隔离驱动器UCC5870系列15A的峰值电流驱动能力,可以满足大多数MOSFET和IGBT驱动的需求,加上优化散热系统设计的超小引线式175°C高精度温度传感器,客户不需要再外加额外的功率放大电路,保证整个开关管非常高效的开通和关断,从而达到更高的效率。

UCC5870系列可以在200ns内实现短路保护,共模抑制比达到150V/ns,可在更恶劣的噪声环境下保持可靠通信,保证正确驱动开关管的相应动作,实现更高的系统可靠性。UCC5870还内置了超过50多种功能安全相关机制,可以减少功能安全相关应用的成本。

图:提高电动汽车的可靠性和性能

在电动汽车中,系统可靠性至关重要。因为出现故障的零件更少,集成式动力总成架构更可靠。除了集成系统的固有优势之外,要确保在电动汽车高压电池环境中的可靠性,还需要强大的保护功能和峰值热性能。

借助针对严苛汽车环境设计和测试的隔离式栅极驱动器和调制器,隔离技术可帮助应对这些挑战。集成式诊断功能也是安全方程式的重要组成部分,可帮助动力总成系统符合ASIL D要求,这是道路机动车辆功能安全的最高级别要求,也是电动主机厂面临的一个主要难题。

Tier 1现身说法

深圳威迈斯新能源是一家Tier 1,2013年就是上汽、奇瑞汽车的供应商,目前客户有50多家,涵盖传统主机厂和造车新势力,其OBC和DC-DC市场占有率国内最大。

威迈斯副总裁韩永杰在介绍与半导体厂商在电动汽车领域合作情况时表示:“目前,新能源汽车的发展有两个明显的趋势,第一是提升性能,第二是降低成本,减少产品的体积和重量,而动力系统的集成正是未来发展方向。”

他以电动汽车电驱系统为例介绍说,目前比较流行的集成方式是把OBC和DC-DC两个盒子放在一个盒子里,接插件共用。威迈斯的磁集成是更深层次的集成方式,利用软硬件深度结合共享包括变压器在内的很多功率器件。

他介绍说威迈斯将OBC、DCDC、MCU、VCU及BMS多合一集成为电动汽车电驱系统,共用机壳、冷却系统甚至功率器件,有效降低了产品体积和成本。基于AUTOSAR软件平台和功能安全设计,融入以太网传输、车辆OTA智能升级以及网络信息安全防护等功能,为客户功能拓展、整车集成、轻量化和成本控制等多个方面带来效益。

他说:“集成对产品的实时控制和精度要求都非常高,C2000系列和UCC5870驱动芯片扮演了很重要的角色。利用先进半导体器件开发的产品功率密度高,体积非常小,客户整车布置灵活性非常高,对降低整车重量和空间有很大帮助。”

图:多合一集成电动汽车电驱系统

集成化方案让尺寸和成本减半

电动汽车市场正在快速增长,未来的增长取决于实现轻量化、延长续航里程和降低成本,并让主机厂有利可图。

综上所述,集成化解决方案提高了功率密度,可以从几个方面将系统尺寸降低50%,成本降低一半:多合一设计共享外壳及冷却系统,减少连接器数量;共享控制及功率电路等,降低电驱动系统体积和重量;简化功能安全系统开发和认证,而这些都与成本密切相关。