《電子技術(shù)應(yīng)用》
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應(yīng)對高成本和里程焦慮,TI 為電動汽車普及再發(fā)力

2021-10-18
作者:王潔
來源:電子技術(shù)應(yīng)用

我國新能源汽車正在高速發(fā)展。今年以來,新能源汽車產(chǎn)銷快速增長,與傳統(tǒng)燃油車走勢形成強(qiáng)烈差異化的特征,對燃油車市場的替代效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。據(jù)公安部交通管理局消息,截至2021年9月,全國新能源汽車保有量達(dá)678萬輛,占汽車總量的2.28%。其中純電動汽車保有量552萬輛,占新能源汽車總量的81.53%。根據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的數(shù)據(jù),9月,我國新能源汽車銷量首次突破35萬輛,創(chuàng)歷史新高。

與此同時,隨著政府“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn),新能源汽車也迎來了重要的發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)摩根大通預(yù)測,到 2025 年,電動汽車在全球汽車銷量的占比將增至 30% 。而當(dāng)前阻礙電動汽車在消費(fèi)者中普及的關(guān)鍵因素則是購買價格和行駛里程。

價格是電動汽車?yán)@不過去的一環(huán),從購置開銷開看,以比亞迪唐為例,EV版比燃油版貴了近十萬;使用開銷呢,充電過程中額外會帶來停車費(fèi)開銷,充電價格優(yōu)勢又不太明顯,如今每千瓦時的平均電價已超過1000美元。好消息是到2024年,價格預(yù)計將跌至100美元以下。隨著越來越多的公司接受電動汽車并對其技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,價格將繼續(xù)下降。

隨著價格的下降,電動汽車的行駛范圍正在增加?,F(xiàn)在新款的電動汽車一次充電實際行駛里程已達(dá)480公里以上。隨著行駛距離和充電站數(shù)量逐漸增加,越來越多的消費(fèi)者愿意購買電動汽車。 

在電動汽車技術(shù)發(fā)展之路上,TI以獨特優(yōu)勢引領(lǐng)著技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新。TI汽車系統(tǒng)工程與市場營銷部門總監(jiān)Manack Ryan表示,TI的目標(biāo)是降低汽車制造商的生產(chǎn)成本和消費(fèi)者的購買價格,進(jìn)而使得電動汽車得到更廣泛的應(yīng)用。

改用分布式架構(gòu)

由于成本較低,集中式架構(gòu)解決方案歷來廣受歡迎,其使用一個中央變壓器和一個偏置控制器來為所有柵極驅(qū)動器生成偏置電壓。但這種架構(gòu)給實際應(yīng)用帶來了很大挑戰(zhàn),單一變壓器體積大、成本高,并且占據(jù)相當(dāng)大的空間,且在結(jié)構(gòu)振動控制方面表現(xiàn)不佳。此外,集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余,一旦偏置電源中的單個元件出現(xiàn)故障,整個系統(tǒng)亦會癱瘓。

部署分布式架構(gòu)則可防止電源故障,從而打造更可靠的系統(tǒng)。動力總成系統(tǒng)內(nèi)的安全冗余和備用電源已成為確保安全性和可靠性的標(biāo)配。分布式電源架構(gòu)可為每個柵極驅(qū)動器分配一個與其靠近的專用的、本地的、方便調(diào)節(jié)的偏置電源,以滿足電動汽車應(yīng)用環(huán)境中的可靠性要求,因此可以提供冗余并提高系統(tǒng)對單點故障的反應(yīng)能力。

在分布式系統(tǒng)中,如果某個偏置電源或柵極驅(qū)動器出現(xiàn)故障,其余五個偏置電源仍在工作,汽車也將進(jìn)入安全模式,自動??吭诼愤叺却乱徊讲僮鳌7植际郊軜?gòu)實現(xiàn)了體積更小、重量更輕,抗振性更佳的優(yōu)點。

Manack Ryan表示,TI的技術(shù)和專業(yè)知識可以幫助客戶集成動力系統(tǒng),以降低成本,簡化設(shè)計,提高功能安全,增強(qiáng)可靠性。動力系統(tǒng)集成還能夠通過在更小的解決方案中實現(xiàn)更高的功率來擴(kuò)展驅(qū)動范圍,提高系統(tǒng)效率,并提高功率密度。

更小的集成變壓器模塊——UCC14240-Q1

外部變壓器偏置電源(如反激式和推挽式控制器)很高、很重且占用面積較大,阻礙了分布式架構(gòu)在輕型電子設(shè)備中的使用。電動汽車電源系統(tǒng)需要更先進(jìn)的器件,即更小的集成變壓器模塊。為此,TI近期發(fā)布了全新的UCC14240-Q1隔離式直流/直流偏置電源模塊,它可將變壓器和元件集成到一個經(jīng)優(yōu)化的、具有低高度的平面磁性元件模塊解決方案中,有助于實現(xiàn)半分布式和分布式電源架構(gòu)。

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UCC14240-Q1隔離式直流/直流偏置電源模塊(圖源:TI公司)

UCC14240-Q1是業(yè)界最小、最精確的1.5W隔離式DC/DC電源模塊。使用該產(chǎn)品,可以將性能和功率密度提高到一個新的水平,同時通過簡單易用的設(shè)備更快地進(jìn)入市場。

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UCC14240-Q1 VS. 傳統(tǒng)解決方案(圖源:TI公司)

將傳統(tǒng)解決方案與TI的UCC14240-Q1進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)反激式和推挽式轉(zhuǎn)換器通常以低于中波(AM)無線電頻段的開關(guān)頻率工作,開關(guān)頻率為550kHz及以下。這種較低的開關(guān)操作頻率,加上高壓系統(tǒng)需要的爬電距離和電氣間隙,導(dǎo)致變壓器相對較大。在本例中,額定電壓的有效值為2000VRMS的推挽變壓器使用12mm×15mm的封裝面積和11mm的高度。

相較而言,TI的集成變壓器技術(shù)為系統(tǒng)帶來了明顯的尺寸效益。變壓器集成在電路板內(nèi)部,與傳統(tǒng)方案相比,尺寸降低了7mm以上,縮小了一半面積并將厚度降低至3.55mm。此外,TI解決方案的額定絕緣電壓更高,為3000VRMS。該款產(chǎn)品的絕緣性能經(jīng)由100%的生產(chǎn)測試和獨立的第三方認(rèn)證。

此外,該款產(chǎn)品使用專有集成變壓技術(shù),UCC14240-Q1將整流器、緩沖器和電壓調(diào)節(jié)器等功能融入電路板中,消除了對復(fù)雜外部組件的需求,為設(shè)計工程師節(jié)省了大量的開發(fā)時間。通過集成變壓技術(shù),工程師可將其解決方案的體積縮小75%,并將BOM組件數(shù)量從26個縮減至10個。

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UCC14240-Q1特性(圖源:TI公司)

由于UCC14240-Q1具有尺寸和效率方面的優(yōu)勢,因此可實現(xiàn)更高的功率密度和系統(tǒng)效率,使汽車在每次充電后行駛更遠(yuǎn)的里程。這款雙路輸出電源模塊的效率為60%,比傳統(tǒng)的偏置電源高一倍,這使得功率密度翻倍,而且有助于提高汽車行駛里程。該器件的輸出功率旨在支持多種汽車應(yīng)用,在105°C的環(huán)境溫度下,UCC14240-Q1的功率超過1.5W,支持工程師在高頻率下驅(qū)動絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開關(guān)。

UCC14240-Q1的另一個特點在于實現(xiàn)更低的EMI。由于其初級到次級電容非常低,僅為3.5pF,而傳統(tǒng)反激式和推挽式電路中常用的變壓器存在初級到次級電容的問題,大概從10pF到35pF,因為它們必須限制電路中的漏感并將繞組推得更近。TI的集成變壓器技術(shù)限制了這種電容,當(dāng)與軟開關(guān)控制方案結(jié)合使用時,可以限制EMI。

UCC14240-Q1不僅提供正負(fù)輸出用于優(yōu)化開關(guān),還具有閉環(huán)調(diào)節(jié)功能,能夠在-40℃~150℃的汽車溫度范圍內(nèi)將兩個輸出電壓調(diào)節(jié)到±1%的精度范圍以內(nèi)。由于器件容差小,因此可以使用更小的電源開關(guān),同時增強(qiáng)過流保護(hù)。此外,該器件全面集成了故障監(jiān)控、過流保護(hù)、過功率保護(hù)和過熱保護(hù)。還具有經(jīng)第三方認(rèn)證的3kVrms隔離電壓,而且因為很輕的重量和3.55mm的厚度,可實現(xiàn)卓越的抗振性。

Manack Ryan最后表示,這是目前市場上最小的解決方案,它可以用于電路板的頂部和底部,從而為設(shè)計提供更大的靈活性。為了更多消費(fèi)者更放心地購買電動汽車,諸如TI這類技術(shù)創(chuàng)新者正在持續(xù)努力,不斷攻克電動汽車普及之路上的各項技術(shù)痛點,打消各種可能的顧慮,為電動汽車的廣泛推行發(fā)揮著積極作用。

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