一文解析電動(dòng)汽車動(dòng)力總成集成技術(shù)

該電動(dòng)汽車（EV）市場仍面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)顯著：成本和練習(xí)場。后者被認(rèn)為是完全采用電動(dòng)汽車的主要趨勢。降低成本和提高系統(tǒng)效率的一種方法是集成動(dòng)力總成。在接受《電力電子新聞》采訪時(shí)，德州儀器 （TI） 動(dòng)力總成系統(tǒng)總經(jīng)理 Karl-Heinz Steinmetz 指出，內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車之間的成本差距仍然很大（約 10，000 歐元）。不過，如果您查看考慮購買電動(dòng)汽車的消費(fèi)者數(shù)量，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這種趨勢非常有趣。新半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)將提高電動(dòng)汽車系統(tǒng)的整體效率。

電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成系統(tǒng)涉及多種解決方案，從車載充電器到電池及其管理系統(tǒng)。今天的電池推動(dòng)了整體成本，這主要取決于每個(gè)電池及其機(jī)械保護(hù)外殼的成本。電池的大小是自主性和成本之間的折衷：更多的電池意味著更多的自主性，但同時(shí)也意味著更多的成本?！霸陔姵爻叽绶矫姹仨氂幸粋€(gè)很好的妥協(xié)。整個(gè)方程中有幾個(gè)變量；當(dāng)然，今天的電池更貴了，但我們還需要考慮其他方面，”Steinmetz 說。

混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)將電池、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、車載充電器和牽引逆變器安裝在單獨(dú)的外殼中。模擬和嵌入式計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在允許設(shè)計(jì)人員使用單個(gè)域控制器和功率級(jí)來組合這些系統(tǒng)——這有助于設(shè)計(jì)人員在降低成本的同時(shí)提高效率和可靠性——并滿足功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

他補(bǔ)充說：“我們的目標(biāo)是整合所有級(jí)別的動(dòng)力總成系統(tǒng)。這可以降低成本、簡化設(shè)計(jì)、簡化功能安全并提高可靠性。所以基本上，它是通過簡化設(shè)計(jì)來降低成本。當(dāng)然，功能安全是與可靠性密切相關(guān)的一個(gè)重要因素?！叭绻ㄟ^集成多個(gè)應(yīng)用程序來簡化設(shè)計(jì)，那么您的零件就會(huì)更少，從而降低成本，但也會(huì)減少可能出現(xiàn)故障的零件。因此，您可以通過提高系統(tǒng)效率來改進(jìn)方程式并擴(kuò)大行駛里程，”Steinmetz 說。

電力系統(tǒng)

動(dòng)力總成系統(tǒng)由幾種不同的解決方案組成。集成不僅需要將這些解決方案放在一起，從而消除整個(gè)系列的 PCB 連接器，還需要一種新的布局思維方式。

“作為一個(gè)例子，讓我們看看一個(gè)內(nèi)置 PFC 級(jí)的車載充電器 （OBC），然后是一個(gè)高壓 DC-DC，它基本上遵循電池的充電曲線?，F(xiàn)在，如果您沒有單獨(dú)的 DC-DC，而是將板載充電器與 DC-DC 功能集成在一起，您就可以省去一個(gè)功率級(jí)和一個(gè)半橋。擺脫半橋是一個(gè)成本因素。但這也是一個(gè)性能和效率因素，”Steinmetz 說。

另一點(diǎn)需要考慮的是寬帶隙 （WBG） 技術(shù)，例如車載充電器和 DC-DC 中的氮化鎵。通過提高開關(guān)頻率并受益于這些半導(dǎo)體的特性，可以通過縮小所有部件來優(yōu)化尺寸，同時(shí)提供出色的熱性能。在WBG方面，Steinmetz指出碳化硅主要用于牽引逆變器，在那里你有高電壓和大電流的組合，而在看車載充電器等領(lǐng)域，你也有高電壓但合理的電流要求， GaN 是首選。

一體化

集成涉及細(xì)致的設(shè)計(jì)以及對(duì)安全概念和潛在相互作用的透徹理解。集成還減少了對(duì)多余包裝材料的需求并消除了冗余硬件，從而顯著降低了系統(tǒng)的重量和體積?！霸陔妱?dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車中，最常見的集成是我們所說的二合一選項(xiàng)，即將車載充電器和 DC-DC 集成到一個(gè)盒子中，”Steinmetz 說。每公斤都是效率方程式的重要組成部分，因此，減輕重量可以提高整體效率，并在充滿電的情況下走得更遠(yuǎn)。

電動(dòng)汽車的傳統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：可以看到微控制器支持的電池管理系統(tǒng)和電壓電流監(jiān)控電路。接下來是帶有自己的車載充電器和牽引逆變器的獨(dú)立 DC-DC。然而，正如 Steinmetz 解釋的那樣，圖 2 中顯示的集成架構(gòu)強(qiáng)調(diào)了 EDCU（擴(kuò)展域控制單元）作為支持其他標(biāo)準(zhǔn)化接口的電池管理系統(tǒng)?！耙虼穗姵毓芾韱卧胁辉儆?MCU，新的 EDCU 包括 VCU（車輛控制單元）和 BCU（電池控制單元），”Steinmetz 說。

電動(dòng)汽車的傳統(tǒng)架構(gòu)（來源：TI）

TI 提出的集成架構(gòu)（來源：TI）

使集成推進(jìn)架構(gòu)成為現(xiàn)實(shí)還需要實(shí)時(shí)微控制器 （MCU） 來處理電源轉(zhuǎn)換的復(fù)雜需求。C2000 MCU 的超低延遲有助于實(shí)現(xiàn)高達(dá) 1 或 2 MHz 的更高開關(guān)頻率，這意味著電感器和電容器等外部組件更小。實(shí)時(shí) MCU 可以在高度集成的設(shè)計(jì)中執(zhí)行數(shù)字電源和電機(jī)控制，以提高效率，同時(shí)節(jié)省寶貴的空間。C2000 實(shí)時(shí)微控制器提供高達(dá) 925 MIPS 以及集成推進(jìn)架構(gòu)所需的必要脈寬調(diào)制端口和模擬輸入。

“除了短路保護(hù)等集成數(shù)字保護(hù)功能外，C2000 MCU 還具有片上比較器，可提供高速、30 ns 的輸入或輸出信號(hào)觸發(fā)。C2000 MCU 提供了微控制器中最快的比較器速度之一。替代解決方案可能會(huì)使用外部比較器，這可能會(huì)提供更快的響應(yīng)時(shí)間，但無法提供足夠的閂鎖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)用于感測、診斷、保護(hù)和故障狀態(tài)機(jī)的高級(jí)機(jī)制，而 C2000 MCU 可以支持內(nèi)部閂鎖信號(hào)多達(dá) 111 個(gè)通道。由于 MCU 中的比較器直接與高分辨率 PWM 相關(guān)聯(lián)，因此 C2000 MCU 可為實(shí)時(shí)控制環(huán)路提供精確的數(shù)據(jù)捕獲和快速響應(yīng)時(shí)間，”Steinmetz 說。

除了實(shí)時(shí)控制，提高效率的創(chuàng)新還包括更高功率密度的管理。采用符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵 （GaN） 技術(shù)等技術(shù)的電動(dòng)汽車可以通過以更高的效率運(yùn)行和節(jié)省熱能來幫助延長行駛里程。這意味著更少的冷卻組件和更低的成本。

GaN 是一種用途極為廣泛的半導(dǎo)體材料，可以在高溫和高壓下工作——有助于有效滿足各種通信和工業(yè)設(shè)計(jì)的要求。電動(dòng)汽車領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一是快速高效的充電。GaN 技術(shù)可以提供快速充電，以更高效的方式使用能源。

GaN FET 解決方案將使功率密度增加一倍，同時(shí)通過集成柵極驅(qū)動(dòng)器提供約 60% 的尺寸減小和高達(dá) 2.2 兆赫的開關(guān)速度。在大規(guī)模電源系統(tǒng)中，由于工藝技術(shù)不同，“標(biāo)準(zhǔn)”FET 與其柵極驅(qū)動(dòng)器分開使用。這會(huì)產(chǎn)生額外的寄生電感，限制 GaN 的開關(guān)性能。共源電感顯著增加了開關(guān)損耗。TI 提供的 GaN FET 不僅具有集成的柵極驅(qū)動(dòng)器，還具有溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)有源電源管理以動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)的熱性能。

“截至今天，我們看到 GaN 正在取代硅解決方案，但我們也看到第一個(gè) GaN 解決方案正在開發(fā)以取代第一代碳化硅 （SiC），專門用于車載充電器和 DC/DC，”Steinmetz 說。

集成動(dòng)力總成架構(gòu)更可靠，因?yàn)榭赡軗p壞的部件更少。除了集成系統(tǒng)的固有優(yōu)勢之外，確保電動(dòng)汽車高壓電池環(huán)境的可靠性還需要強(qiáng)大的保護(hù)和峰值熱性能。Steinmetz 指出，集成診斷也是安全方程式的重要組成部分，可以幫助推進(jìn)系統(tǒng)滿足 ASIL D 要求，這是道路車輛的最高功能安全級(jí)別，也是電動(dòng)汽車制造商面臨的主要挑戰(zhàn)。TI 提供的參考設(shè)計(jì)已經(jīng)過 TüV SüD 的獨(dú)立評(píng)估，可以幫助定制動(dòng)力系統(tǒng)。

編輯：hfy