2021年05月24日 | 德州仪器联合威迈斯加速电动汽车集成动力总成方案演进

随着汽车中电子系统越来越丰富，芯片使用量越来越多，随之而来的是电子控制单元ECU数量的大幅增加。ECU的急剧增加，无论是管理、安全还是可扩展性都带来了很大挑战，为此汽车域架构模式开始应运而生。通过高性能的DCU（域控制处理器），整合公用系统组件，在软件中分配和执行，可实现以足够的资源快速响应完成客户需求，具备平台化、兼容性、集成高、性能高等优势。

集成动力总成解决方案崭露头角

如今域控制概念已经得到了商用，但是由于各种原因，大部分集中在座舱、ADAS等领域。德州仪器日前联合威迈斯，共同宣布集成动力总成解决方案，标志着在动力领域，域架构的概念正在开始流行。

德州仪器（TI）高压功率，高功率驱动器市场经理Nagarajan Sridha表示，目前电动车平均价格比类似的燃油车高出12000美元，普遍共识是电池成本所造成的。但是除了电池，在其他领域，依然可以有降低成本的可能性。比如在动力系统中，减少电力电子元件数量，并将其整合到更小的系统中。

德州仪器中国区汽车业务部现场技术应用经理周东宝表示，“TI的产品和技术支持可以帮助客户全面实现动力总成系统方案的集成。我们预计集成化的方案可以帮助整个系统的尺寸和成本都降低一半。”

动力系统包括了电机控制器、高压配电单元、DC/DC、车载充电器、电源管理系统（BMS）等等。根据不同的集成模块数量，可以划分为二合一方案、三合一方案、五合一方案。根据集成的难易程度，动力总成集成可以分为基础的机械层面的集成：物理集成，以及更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的转变。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，但同时挑战也会越来越多。”周东宝说道。

深圳威迈斯新能源股份有限公司副总裁兼上海子公司总经理韩永杰也对TI的集成动力总成解决方案给予了肯定，作为OBC和DC/DC产品国内市占率最大的供应商，威迈斯一直同TI保持着紧密的合作关系。目前威迈斯正在从OBC和DC/DC业务向动力系统扩展，一方面是因为OBC、DC/DC及驱动器里面的电机控制器等产品比较接近。另外则是动力系统集成一定是未来的发展趋势。目前，威迈斯的产品在可靠性、功率密度和体积方面的优势，使得客户可以在整车上布局更为灵活，也因此获得了市场的广泛认可。

德州仪器EV/HEV SEM团队成员，TÜV SÜD认证功能安全工程师曹伟杰具体介绍了目前市场上几种动力系统解决方案，具体包括：

方法1：形成独立的系统。这种方法已不如几年前流行。

方法2：可分为两个步骤：直流/直流转换器和车载充电器共享机械外壳，但拥有各自独立的冷却系统。同时共享外壳和冷却系统（最常选用的方法）。

方法3：进行控制级集成。这种方法正在演变为第4种方法。

方法4：相比于其他三种方法，此方法由于减少了电源电路中的电源开关和磁性元件，所以成本优势更大，但它的控制算法也更复杂。

四种方法对比

韩永杰也表示，目前威迈斯推出了OBC和DC/DC集成的产品，性能显著提升的同时，实现了成本的降低，减少产品的体积和重量。韩永杰介绍道，目前市场上集成方式主要有两种，一种是物理集成，把OBC和DC从物理的两个盒子放在一个盒子里，是传统接插件共用的概念。而威迈斯的磁集成方法类似于曹伟杰所介绍的第4种方法。通过共享电力电子器件和变压器，实现了最高等级的集成。

威迈斯充电系统集成化产品

周东宝详细列举了集成动力总成的四大优势，分别为：

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；

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；

更好地实现轻量化，有助于延长电动汽车的续航里程；

通过整体上对系统进行热性能的优化，保证系统的可靠性。同时我们注意到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，所以我们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。

集成动力总成都需要哪些要素

集成动力总成优势看似很大，但实际上还需要显著克服诸多挑战，包括控制器性能，控制器算法，磁集成的设计，冷却系统等多方面因素。

德州仪器正在结合自身在车载控制，功率等器件领域的积累，以及在安全认证等服务上的努力，帮助客户简化动力总成设计上的挑战。

微控制器

如之前所述，方法4的控制算法最为复杂，因此首要任务就是选择一款适合的微控制器。

C2000实时微控制器可以提供高达925MIPS的处理能力，结合TI灵活配置的高精度PWM模块，可以非常轻松地适配各种复杂的电源拓扑，以及更高阶的控制算法，从而实现整个系统更高的效率。

周东宝介绍道，C2000实时微控制器集成了非常丰富的模拟功能模块，比如内置的ADC、DAC以及比较器等模块。通过这些模块可以实现低至30ns以内的响应时间，响应一些诊断保护和故障等。由于是纯硬件控制响应，因此不需要CPU模块的参与，可进一步地提高系统的可靠性。

除了模拟集成，C2000实时MCU也集成了浮点运算单元和三角函数加速器等硬件加速单元，可以显著地减少复杂计算所需要的周期数。计算时间的减少意味着在不提高开关频率的前提下提高整个环路的效率，可以显著地减少磁性元器件的尺寸，提高整个系统的效率和功率密度。

韩永杰也特别强调了C2000实时微控制器在系统中“扮演着重要的角色”。

第三代半导体

第三代半导体（SiC/GaN等）由于其材料特性，支持高频和高压工作，并且结温更高，因此非常适合对于功率密度及热管理要求苛刻的动力系统中。尽管如今第三代半导体产品售价相较MOSFET和IGBT更高，但是考虑到散热、无源元件、尺寸等系统因素，其成本优势已经开始显现。更不用说随着产量增加，还有进一步的下降空间。

TI推出的集成驱动器的GaN MOSFET产品，简化了GaN系统设计，并且没有传统GaN MOSFET的寄生二极管反向恢复问题，因此可以实现2.2MHz的高工作频率。

该器件同时内置了数字温度的采样功能，可以实时检测温度信息，实现及时的热管理。此外，也集成常用的保护功能，包括过流、短路、过温和欠压等，保护电路的响应时间小于100ns，提高了系统的可靠性。

该器件采用了TI定制开发了低寄生电感增强散热型的贴片式封装，实现了两倍功率密度提升，并且磁性元器件尺寸可缩小59%。

隔离驱动器

除了控制器和功率器件之外，隔离驱动器是动力系统中的三大要素之一。由于高电压与电池电路之间存在着巨大的电压差，为了保持安全和信号完整性，必须在一次侧和二次侧之间进行有效隔离。针对隔离技术，TI开发的电容式隔离可以兼顾高数据传输率和高抗噪能力。

TI最新的驱动器UCC5870-Q1，集成的高级隔离功能可以做到150V/ns的共模抑制比，同时还集成了更多的诊断和保护功能，可以在200ns时间内进行短路保护。

该系列可实现高达15A的峰值电流的驱动能力，客户无需再增加额外的功率放大电路。

采用智能隔离技术之后，布板面积有了大幅度下降

温度传感器

为了确保动力总成系统的总体安全性，温度传感器也是必不可少的。TI的TMP126温度传感器工作温度可达-40℃至175℃的宽温范围，同时全温度下拥有±0.3℃的采样精度，更准确地支持客户各类温度补偿设计，提高系统效率，减少冗余度。

该传感器采用SPI总线接口，内置循环冗余校验功能，可确保在高噪声的电磁环境下可靠通信。

安全认证

安全是电动汽车的基础，尤其是针对动力总成系统来说，优秀的安全性是确保汽车可以正常行驶的最关键部件。失效率（FIT）是衡量汽车安全性关键指标，比如ASIL-D标准要求FIT低于10。（FIT(失效率,failures in time)指的是1个(单位)的产品在1*10^9小时内出现1次失效(或故障)的情况。产品在使用1亿小时之内,发生了1次失效,那我们就称这个产品在该时间段内的失效率是1FIT。）

如今，ASIL-B或者ASIL-C等要求正在引入OBC和DC/DC转换器中。

除了通过高集成度提高安全性之外，据周东宝介绍，TI正在通过两种途径帮助客户简化功能安全系统设计的开发和认证。首先是提供符合功能安全标准的产品。比如UCC5870，是按照TI经过TÜV SÜD认证的功能安全产品开发流程所开发的。可以提供非常完整的功能安全相关的文档，比如FMEDA、功能安全手册、FIT值等。对于大多数常用的一些信号链的产品，如简单的电源和信号链产品，TI也可以提供整个器件功能安全的FIT值，以及它失效模式的分布等等这些技术文档，帮助客户进行功能安全的设计。

其次，为了加速客户开发时间，TI同TÜV SÜD合作，开发了可以达到ASIL D的集成牵引驱动器和DC/DC直流变换器的升级参考（TIDM-02009），该参考设计使用了TI最新的C2000系列MCU以及UCC5870隔离驱动器，它可以实现高达2万转每分钟的转速，以及2 MHz的开关频率。

总结

“作为TI来说，正在越来越多地跟整车厂、Tier 1直接合作，提供一些系统解决方案，而不是说单纯地作为一个芯片厂商来提供器件，以满足他们的需求。”曹伟杰说道。

对此，韩永杰也表示，未来动力总成系统将会进一步集成，威迈斯正在同TI深度合作，尤其是C2000和UCC5870等产品上。“在过去这几年中，我们跟TI在产品的持续创新、前瞻高性能产品以及专业的技术合作交流等方面取得了很大的成果，TI也给予了充分的支持，相信我们未来布局下一代产品时会有更好的前景。”

韩永杰表示，未来OBC、DC/DC和PDU的集成，与电机驱动及动力域控制器结合，从而构成完整的动力域，这也是目前威迈斯和TI联合深度合作的重点领域之一。

动力域高集成解决方案

通过高集成度的创新型产品和架构，TI正在为电动汽车客户实现系统的高可靠性及更低的成本，增加电动汽车的效率和续航里程，同时帮助电动汽车市场不断缩小与传统燃油车之间的成本差距。