隨著電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，以及各國(guó)政府在政策方面的持續(xù)推進(jìn)，越來(lái)越多的汽車(chē)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)意向開(kāi)始轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)，尤其是在中國(guó)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從2015年-2020年期間，新能源汽車(chē)的整體銷(xiāo)量節(jié)節(jié)攀升，中國(guó)市場(chǎng)電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量在2020年達(dá)到了歷史新高（136萬(wàn)輛），這已是我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量連續(xù)6年蟬聯(lián)世界第一。隨著5月26日北京搖號(hào)新政實(shí)施后的首期新能源小客車(chē)指標(biāo)配置結(jié)果公布，勢(shì)必會(huì)激發(fā)新一輪的購(gòu)車(chē)熱。

然而不可否認(rèn)，消費(fèi)者對(duì)于購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)車(chē)的顧慮依然存在，其中最突出的就是里程焦慮和價(jià)格問(wèn)題，從而阻礙了新能源汽車(chē)的進(jìn)一步普及。據(jù)悉，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。有資料顯示，從制造成本來(lái)看，對(duì)于一輛燃油車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)+變速箱的成本大約占整車(chē)總成本的1/5；而同一車(chē)型的電動(dòng)汽車(chē)，三電系統(tǒng)（電池、電機(jī)、電控）占據(jù)了整車(chē)成本的一半，這一半中近80%的比重由動(dòng)力電池占據(jù)。即便是加上各種補(bǔ)貼，如今同款電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格也比油車(chē)要高出5-10萬(wàn)。

在電池技術(shù)不斷進(jìn)步的同時(shí)，其他領(lǐng)域也在尋找突破進(jìn)一步降低成本，動(dòng)力系統(tǒng)是關(guān)鍵。近期，德州儀器（TI）發(fā)布了動(dòng)力總成集成化解決方案，可將系統(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)。

集成動(dòng)力總成將尺寸、成本均減半

 “TI的產(chǎn)品和技術(shù)支持可以幫助客戶全面實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成系統(tǒng)方案的集成。我們預(yù)計(jì)集成化的方案可以幫助整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和成本都降低一半?！?德州儀器中國(guó)區(qū)汽車(chē)業(yè)務(wù)部現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶表示。

如何實(shí)現(xiàn)減半的呢？周東寶指出有四個(gè)方面：

·電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多合一的集成化的解決方案通過(guò)共享外殼的耦合以及冷卻系統(tǒng)，減少了連接器的數(shù)量；

·通過(guò)更進(jìn)一步的共享控制電路以及共享功率電路等方式，有效地降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積、重量和成本，同時(shí)提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度；

·更好地實(shí)現(xiàn)輕量化，有助于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程；

·通過(guò)整體上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱性能的優(yōu)化，保證系統(tǒng)的可靠性。

同時(shí)，TI注意到功能安全是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，TI集成化的解決方案也有助于簡(jiǎn)化功能安全系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和認(rèn)證工作。

傳統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)控制器、高壓配電單元、DC/DC、車(chē)載充電器、電源管理系統(tǒng)（BMS）等。根據(jù)不同的集成模塊數(shù)量，可分為二合一的方案、三合一的方案、五合一的方案。根據(jù)集成的難易程度，又可以分為基礎(chǔ)的機(jī)械層面的集成（物理集成），以及更復(fù)雜的控制邏輯和功率層級(jí)方面的集成?！巴ㄟ^(guò)使用TI的解決方案，客戶可以實(shí)現(xiàn)從分布式的電源架構(gòu)到單個(gè)動(dòng)力域的控制器方案的轉(zhuǎn)變。整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度會(huì)隨著整合級(jí)別的增加而提高，對(duì)客戶的收益也會(huì)越來(lái)越高，但同時(shí)挑戰(zhàn)也會(huì)越來(lái)越多?！?周東寶說(shuō)道，“針對(duì)設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，TI會(huì)協(xié)助客戶一起解決?！?/p>

TI提供的是電機(jī)控制器、車(chē)載充電器和DC/DC的三合一的解決方案，大幅度優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，通過(guò)共享部分的控制電路降低整個(gè)驅(qū)動(dòng)成本的重量和體積。

98%的效率和超高的功率密度

作為一家歷史悠久的全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，TI擁有豐富的產(chǎn)品多元的產(chǎn)品組合。周東寶以TI的幾款明星產(chǎn)品：C2000微控制器、最新的GaN FET、隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870、溫度傳感器TMP126的組合為例，介紹了TI動(dòng)力總成解決方案的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

微控制器C2000系列可以提供高達(dá)925MIPS的處理能力，同時(shí)結(jié)合可靈活配置的高精度PWM模塊，可以非常輕松地適配各種復(fù)雜的電源拓?fù)?，以及更高階的控制算法，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)更高的效率。

TI最新的集成驅(qū)動(dòng)器的GaN FET能以高達(dá)2.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率工作，同時(shí)保持非常低的開(kāi)關(guān)損耗。另外，結(jié)合TI定制開(kāi)發(fā)的低寄生電感的增強(qiáng)散熱型的切片式封裝，可以實(shí)現(xiàn)兩倍的功率密度的提升，同時(shí)將磁性元器件減小59%。

隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870系列可以提供高達(dá)15A的峰值電流驅(qū)動(dòng)能力，無(wú)需外加功率放大電路，也能夠保證整個(gè)開(kāi)關(guān)管可以進(jìn)行非常高效的開(kāi)通和關(guān)斷，從而達(dá)到更高的效率。

溫度傳感器TMP126可以在150°C的環(huán)境溫度下工作，采樣精度高達(dá)±0.3°C。更高的溫度傳感器精度，可以幫助客戶在設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)留有更小的設(shè)計(jì)余量。同時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償時(shí)精度可以更高，有助于最大化地提高系統(tǒng)效率。

系統(tǒng)級(jí)可靠性

電動(dòng)汽車(chē)的可靠性是設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)方面，通過(guò)TI動(dòng)力總成解決方案還可以帶來(lái)可靠性和性能的提高。

C2000系列微控制器內(nèi)置豐富的模擬功能模塊，如DC、DAC以及比較器等，可以實(shí)現(xiàn)低至30ns以內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)診斷保護(hù)和故障等。由于完全是純硬件的控制，不需要CPU模塊的參與，因此可更進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的可靠性。

GaN FET器件內(nèi)置的數(shù)字溫度的采樣功能可以提供實(shí)時(shí)的溫度信息，從而可以更靈活地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的熱管理。TI將常用的過(guò)流、短路、過(guò)溫和欠壓等保護(hù)功能集成到GaN開(kāi)關(guān)管里，無(wú)需外加分立電路。同時(shí)內(nèi)置的短路和過(guò)流保護(hù)的電路可以在低至100ns的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。

隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870系列可以在200ns的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行短路保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的共模抑制比（CMTI）（＞150V/ns），意味著芯片可以在更惡劣的噪聲環(huán)境下保持可靠通訊，保證可以正確地驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到更高的系統(tǒng)級(jí)可靠性。

溫度傳感器TMP126可以在全溫度范圍下（-40到+175°C）保持非常高的精度。相比分立器件，溫飄幾乎可以忽略不計(jì)。同時(shí)，數(shù)字接口內(nèi)置的循環(huán)冗余校驗(yàn)功能也能確保在高噪聲的電磁環(huán)境下能夠進(jìn)行可靠通訊。

系統(tǒng)成本和尺寸減半

C2000具有高即時(shí)指令集，可以顯著地減少?gòu)?fù)雜計(jì)算所需要的周期數(shù)。再結(jié)合氮化鎵和碳化硅器件的高開(kāi)關(guān)頻率和低開(kāi)關(guān)損耗的特征，可以顯著地減少磁性元器件的尺寸，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，從而也提高了整個(gè)系統(tǒng)的功率密度。

據(jù)周東寶介紹，利用氮化鎵器件相比于現(xiàn)有的硅和基于碳化硅的MOSET方案，預(yù)計(jì)可以使車(chē)載充電器和DC/DC的尺寸減少到50%。

隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870系列由于峰值電流能力高達(dá)15A，可以滿足大多數(shù)MOSET和IGBT驅(qū)動(dòng)的需求。同時(shí)內(nèi)置六通道的隔離采樣ADC，可以用于溫度、電壓的采集，減少額外分立的隔離ADC的成本。UCC5870芯片內(nèi)置超過(guò)50多種功能安全相關(guān)的機(jī)制，在功能安全相關(guān)的應(yīng)用中，可以顯著地減少BOM的成本。

高精度的溫度傳感器TMP126可以通過(guò)優(yōu)化整個(gè)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠幫助客戶更進(jìn)一步地降低成本。

以上組合是TI動(dòng)力總成眾多解決方案之一，TI官網(wǎng)上可以找到豐富的參考設(shè)計(jì)資源，而這些參考設(shè)計(jì)并非只是把各個(gè)芯片簡(jiǎn)單地組合到一起?！拔覀?cè)谧鲞@些參考設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到了系統(tǒng)整體的性能要求，我們會(huì)把整體的EMI性能考慮進(jìn)去，包括怎么選拓?fù)?、怎么選控制策略，整套方案都會(huì)考慮在內(nèi)，如此才會(huì)使整體產(chǎn)品的性能滿足要求?！?德州儀器EV/HEV SEM團(tuán)隊(duì)成員TüV SüD認(rèn)證功能安全工程師曹偉杰介紹道。

簡(jiǎn)化安全認(rèn)證

據(jù)周東寶介紹，TI正在通過(guò)兩種途徑幫助客戶簡(jiǎn)化功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)和認(rèn)證：

一是提供符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。如隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870，是按照TI經(jīng)過(guò)TüV SüD認(rèn)證的功能安全產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程所開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品，可以提供完整的功能安全相關(guān)的文檔，如FMEDA、功能安全手冊(cè)、FIT值等。對(duì)于大多數(shù)常用的信號(hào)鏈產(chǎn)品，如簡(jiǎn)單的電源和信號(hào)鏈產(chǎn)品，TI可以提供整個(gè)器件功能安全的FIT值以及失效模式的分布等技術(shù)文檔，幫助客戶進(jìn)行功能安全的設(shè)計(jì)。

第二，為了加速客戶開(kāi)發(fā)時(shí)間，TI與TüV SüD合作，開(kāi)發(fā)了可以達(dá)到ASIL D功能等級(jí)的集成牽引驅(qū)動(dòng)器和DC/DC直流變換器的升級(jí)參考設(shè)計(jì)TIDM-02009，該設(shè)計(jì)使用了TI最新的C2000系列MCU以及UCC5870隔離驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)20 000rpm的轉(zhuǎn)速，以及2 MHz的開(kāi)關(guān)頻率。

整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)都將走向集成

隨著眾多廠商入局汽車(chē)，半導(dǎo)體廠商的工作方式也發(fā)生了變化。曹偉杰表示，TI現(xiàn)在越來(lái)越多地與整車(chē)廠、Tier 1直接合作，向其提供系統(tǒng)解決方案滿足要求，而不是單純地作為一個(gè)芯片廠商來(lái)提供器件。因此，TI更多的是從系統(tǒng)解決方案的角度入手，提供一整套解決方案，以滿足需求。

深圳威邁斯新能源是一家Tier 1，目前客戶有50多家，涵蓋傳統(tǒng)主機(jī)廠和造車(chē)新勢(shì)力，同時(shí)與TI正在保持著深度合作。“在過(guò)去這幾年，我們與TI在產(chǎn)品的持續(xù)創(chuàng)新、前瞻的高性能產(chǎn)品應(yīng)用，以及專(zhuān)業(yè)的技術(shù)合作交流上取得了很大的成果?！?深圳威邁斯新能源股份有限公司副總裁兼上海子公司總經(jīng)理韓永杰介紹道。

目前的集成方案主要是三部分：OBC、DC/DC和PDU，未來(lái)的趨勢(shì)會(huì)是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)將趨向于集成?！皬奈磥?lái)的發(fā)展來(lái)講，實(shí)際上還要進(jìn)一步地集成。威邁斯在這一塊做了很多工作，我們?cè)趹?yīng)用上也是與TI在進(jìn)行深度的合作，尤其是在C2000和UCC5870驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品上?！?韓永杰表示。

動(dòng)力總成帶來(lái)的成本、尺寸的減少不管是對(duì)整車(chē)廠還是對(duì)終端客戶來(lái)說(shuō)都是大有裨益的，這使得集成化的趨勢(shì)成為必然，盡管目前市場(chǎng)上還沒(méi)有看到BMS的集成，隨著市場(chǎng)的發(fā)展以及技術(shù)的推動(dòng)，未來(lái)的集成可能會(huì)包含BMS系統(tǒng)，電動(dòng)汽車(chē)電源管理IC將走向高度集成化，與燃油車(chē)的成本差距也將會(huì)不斷縮小。