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TI如何助力电动汽车实现全面的动力总成集成?

2021-06-10

麦肯锡报告显示,如今,电动汽车的平均生产成本比传统内燃机汽车高出 12000 美元。随着汽车制造商致力于满足全球排放法规,还必须弥补性价比差距来帮助消费者过渡到混合动力汽车或全电动汽车。

 

因此,对于汽车设计工程师来说,提高效率、可靠性和延长行驶里程,降低电动汽车昂贵器件(动力总成系统)的成本无疑是一个巨大的挑战。针对行业现状和挑战,德州仪器(TI)提出了多种功率级别“多合一”整合方案和设计思路,助力新能源车企提升技术优势。

 

 

一直以来,混合动力和电动汽车动力总成都是推动汽车行业进步的系统的结合体,将电池、DC/DC转换器、车载充电器和牵引逆变器封装在不同的外壳中。目前,随着模拟和嵌入式处理技术的进步,设计人员可以使用单个域控制器和功率级来组合这些系统,从而帮助他们提高效率和可靠性,同时降低成本并符合功能安全标准,成为当下热门的研究方向。

 

德州仪器中国区汽车业务部现场技术应用经理周东宝介绍道,根据不同的集成模块数量,可以分为二合一、三合一、五合一等几种不同的集成解决方案。根据集成的难易程度,还可以把动力总成集成分为基础的机械层面集成,即物理集成,以及更加复杂的控制逻辑和功率层级方面的集成。通过使用TI的解决方案,客户可以实现从分布式的电源架构到单个动力域的控制器的方案转变。整个系统的复杂程度也会随着整合级别的增加而提高,对客户的收益也会越来越高,不过,集成度越高面临的挑战也会越多。

 

对于集成化的方案,周东宝总结道:(1)电驱动系统多合一的集成化的解决方案,通过共享外壳的耦合以及冷却系统,减少连接器的数量;(2)通过更进一步的共享控制电路以及共享功率电路等,有效地降低电驱动系统的体积、重量和成本,同时提高电驱动系统的功率密度;(3)更好地实现轻量化,有助于延长电动汽车的续航里程;(4)通过整体上对系统进行热性能的优化,保证系统的可靠性。同时,因为功能安全是现在电驱动系统里面非常重要的一个设计指标,所以TI集成化的解决方案也有助于简化功能安全系统的开发和认证工作。

 

在功率电子层面的“多合一”的集成设计方案,可以帮助客户将整个系统的尺寸和成本降低50%。TI的三合一动力总成集成解决方案用了C2000系列微控制器、集成驱动器的GaN场效应晶体管、隔离驱动器UCC5870、以及温度传感器TMP126等产品。

 

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OEM厂商面临的一个主要难题。

 

对于TI动力总成系统集成解决方案的优势,周东宝总结道:首先,集成解决方案功率密度高,整个系统效率可以达到98%;其次,通过利用TI产品,帮助客户进行热性能方面优化,以及诊断、保护等电路设计,提升整个电路可靠性;三是通过使用TI的产品,可以使用更少的器件、更小的解决方案和尺寸来将整个系统的成本进行大规模地降低;四是,TI提供了多种方案来简化客户的功能安全认证,比如高达ASIL D级的合规认证工作。

 

在TI召开的媒体分享会上,威迈斯 (VMAX) 副总裁韩永杰表示,“近年来,新能源汽车行业发展非常迅速,电力电子在新能源汽车的带动之下,目前电动汽车的发展有两个非常明显的趋势,一是提升性能,二是降低成本,减少产品的体积和种量。”

 

在他看来,要想设计出对于全中国消费者而言更加高效、可靠且经济实惠的电动汽车,动力总成集成是关键。TI的技术和专业知识正在帮助我们达到客户对车载充电器、直流/直流转换器和牵引逆变器系统所需的集成水平。企业和行业都正在亲身体验动力总成集成带来的优势。从未来的趋势来讲,韩永杰认为,整个动力系统还要更进一步的趋向于集成化。


写在最后


电动汽车市场正在快速增长。预计到2025年,电动汽车的数量占全球汽车销量的30%。动力总成集成将在电动汽车市场增长中发挥关键作用,从低级别的机械集成到高级别的电子集成,集成的发展仍在继续。已证明集成式动力总成系统的功率密度提高了40%至50%,体积和重量大大减少,可靠性提高,动力总成集成正在支持电动汽车市场的加速增长。

 

但同时,随着集成级别的提高,系统的复杂性也将增加。每种架构变体都会带来不同的设计挑战,灵活性也将成为动力总成集成的关键考量因素。


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