動(dòng)力總成系統(tǒng)集成化推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)一步高效、可靠、輕量化

在德州儀器 (TI) 努力改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成架構(gòu)后，我們的客戶可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本削減一半，同時(shí)有效提高功率密度、效率和可靠性，并讓更多人都能買(mǎi)得起電動(dòng)汽車(chē)。

如今，電動(dòng)汽車(chē)的平均生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)高出 12,000 美元。1 隨著汽車(chē)制造商致力于滿足全球排放法規(guī)，他們還必須彌補(bǔ)性價(jià)比差距，幫助消費(fèi)者過(guò)渡到混合動(dòng)力汽車(chē)或全電動(dòng)汽車(chē)。

對(duì)于汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，他們正在努力提高效率、可靠性和延長(zhǎng)行駛里程，同時(shí)降低電動(dòng)汽車(chē)昂貴器件（動(dòng)力總成系統(tǒng)）的成本。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成集成可能是一個(gè)解決方案。

一直以來(lái)，混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成都是推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)進(jìn)步的系統(tǒng)的結(jié)合體，將電池、直流/直流轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器和牽引逆變器封裝在不同的外殼中。目前，隨著模擬和嵌入式處理技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員可以使用單個(gè)域控制器和功率級(jí)來(lái)組合這些系統(tǒng)，從而幫助他們提高效率和可靠性，同時(shí)降低成本并符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

“這就要求我們滿足基本的技術(shù)和安全要求，同時(shí)使之更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模采用，從而在系統(tǒng)中獲得更大收益，” 德州儀器 (TI)全球汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)工程團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Karl-Heinz Steinmetz說(shuō)。

總部位于中國(guó)深圳的電動(dòng)汽車(chē)組件供應(yīng)商深圳威邁斯新能源股份有限公司(VMAX)正在親身體驗(yàn)動(dòng)力總成集成的優(yōu)勢(shì)。

“要想設(shè)計(jì)出對(duì)于全中國(guó)消費(fèi)者而言更加高效、可靠且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電動(dòng)汽車(chē)，動(dòng)力總成集成是關(guān)鍵，”威邁斯 (VMAX) 副總裁韓永杰說(shuō)。“德州儀器 (TI) 的技術(shù)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)正在幫助我們達(dá)到客戶對(duì)車(chē)載充電器、直流/直流轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器系統(tǒng)所需的集成水平。”

以更高的效率和更高的功率密度實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的行駛時(shí)間

將動(dòng)力總成系統(tǒng)集成到一個(gè)緊湊的機(jī)械外殼中不僅會(huì)使設(shè)計(jì)和組裝更簡(jiǎn)單，還減少了對(duì)多余包裝材料的需求，并消除了冗余硬件，從而大大減輕了系統(tǒng)重量并減小了體積。

“每千克重量都是效率公式的重要組成部分，”Karl-Heinz說(shuō)。“如果可以減輕汽車(chē)的重量，就可以提高整體效率，增加一次充電可以行駛的里程?！?/p>

可通過(guò)提高功率密度來(lái)提升效率的創(chuàng)新功能也很關(guān)鍵。通過(guò)將相關(guān)技術(shù)（例如符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵 (GaN) 技術(shù)）運(yùn)用到電動(dòng)汽車(chē)中，可以在更高的效率下工作并保留熱能，從而幫助延長(zhǎng)行駛里程。這意味著需要的冷卻器件更少且成本更低。

“由 GaN 等材料制成的寬帶隙開(kāi)關(guān)與經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速柵極驅(qū)動(dòng)器一起使用，將改變游戲規(guī)則，因?yàn)樗鼈兛梢詫⒋判栽p小 60%，從而降低了總體重量和成本，”我們公司的 GaN 營(yíng)銷(xiāo)團(tuán)隊(duì)成員 Ramanan Natarajan 說(shuō)。

要將集成式動(dòng)力總成架構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，還需要實(shí)時(shí)微控制器 (MCU)，它們可以處理電源轉(zhuǎn)換的復(fù)雜需求。我們具有超低延遲的 C2000?MCU有助于實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率（最多提高 1 到 2 MHz），這意味著電感器和電容器等外部元件更小。

“通過(guò)實(shí)時(shí)感應(yīng)和更高的控制環(huán)路開(kāi)關(guān)頻率，我們可以將牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)到20K RPM，”我們公司的 C2000? MCU汽車(chē)經(jīng)理 Na Kong 說(shuō)?！斑@使汽車(chē)工程師能夠制造出比之前只能達(dá)到 10K RPM 的設(shè)計(jì)小三分之一以上且性能更高的電機(jī)。”

借助包含單個(gè)實(shí)時(shí) MCU 的集成式動(dòng)力總成架構(gòu)，該系統(tǒng)可以有效地處理分布式系統(tǒng)中多個(gè)MCU 的工作。在高度集成的設(shè)計(jì)中，實(shí)時(shí) MCU 可以執(zhí)行數(shù)字電源和電機(jī)控制，從而提高效率，同時(shí)節(jié)省寶貴的空間。

“當(dāng)汽車(chē)制造商轉(zhuǎn)向集成架構(gòu)時(shí)，需要決定是否整合系統(tǒng)中的資源和芯片，”Karl-Heinz說(shuō)。
提高可靠性并符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)

在電動(dòng)汽車(chē)（例如傳統(tǒng)汽車(chē)）中，系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。集成式動(dòng)力總成架構(gòu)更可靠，僅僅是因?yàn)槌霈F(xiàn)故障的零件更少。除了集成系統(tǒng)的固有優(yōu)勢(shì)之外，要確保在電動(dòng)汽車(chē)高壓電池環(huán)境中的可靠性，還需要強(qiáng)大的保護(hù)功能和峰值熱性能。

借助針對(duì)嚴(yán)苛汽車(chē)環(huán)境設(shè)計(jì)和測(cè)試的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器，隔離技術(shù)可幫助應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。集成式診斷功能也是安全方程式的重要組成部分，可幫助動(dòng)力總成系統(tǒng)符合 ASIL D 要求，這是道路機(jī)動(dòng)車(chē)輛功能安全的最高級(jí)別要求，也是電動(dòng)汽車(chē)制造商面臨的一個(gè)主要難題。

“我們知道功能安全對(duì)于整體設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因此我們非常重視這些考慮事項(xiàng)。我們的參考設(shè)計(jì)著重關(guān)注安全性，該設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò) TüV SüD 單獨(dú)評(píng)估，可幫助我們的客戶通過(guò)出色的成本控制自定義其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，”Karl-Heinz 說(shuō)。

通過(guò)動(dòng)力總成集成支持電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的加速增長(zhǎng)

電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)。到 2025 年，電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量預(yù)計(jì)將從現(xiàn)在的 560 萬(wàn)輛增長(zhǎng)到占全球汽車(chē)銷(xiāo)量的 30%。2動(dòng)力總成集成將在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)增長(zhǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。已證明集成式動(dòng)力總成系統(tǒng)的功率密度提高了 40% 至 50%，體積和重量大大減少，可靠性提高。

“這將對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的性能和每次充電的行駛里程產(chǎn)生重大影響，最終使這些汽車(chē)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，”Karl-Heinz 說(shuō)。

我們熱衷于讓世界更美好

幫助客戶設(shè)計(jì)集成式動(dòng)力總成系統(tǒng)是 TI 革新者致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)降低電子產(chǎn)品成本、讓世界更美好的明證。每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使技術(shù)變得更小巧、更高效、更可靠、更實(shí)惠，開(kāi)拓新市場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在 TI，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來(lái)以至現(xiàn)在一直在做的事。