動力總成系統(tǒng)集成化推動電動汽車進一步高效、可靠、輕量化

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

如今，電動汽車的平均生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車高出 12,000 美元。1 隨著汽車制造商致力于滿足全球排放法規(guī)，他們還必須彌補性價比差距，幫助消費者過渡到混合動力汽車或全電動汽車。

對于汽車設(shè)計工程師來說，這無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)，他們正在努力提高效率、可靠性和延長行駛里程，同時降低電動汽車昂貴器件（動力總成系統(tǒng)）的成本。電動汽車動力總成集成可能是一個解決方案。

一直以來，混合動力和電動汽車動力總成都是推動汽車行業(yè)進步的系統(tǒng)的結(jié)合體，將電池、直流/直流轉(zhuǎn)換器、車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)的進步，設(shè)計人員可以使用單個域控制器和功率級來組合這些系統(tǒng)，從而幫助他們提高效率和可靠性，同時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，同時使之更經(jīng)濟實用，實現(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)全球汽車動力總成系統(tǒng)工程團隊負(fù)責(zé)人Karl-Heinz Steinmetz說。

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

“要想設(shè)計出對于全中國消費者而言更加高效、可靠且經(jīng)濟實惠的電動汽車，動力總成集成是關(guān)鍵，”威邁斯 (VMAX) 副總裁韓永杰說?！暗轮輧x器 (TI) 的技術(shù)和專業(yè)知識正在幫助我們達到客戶對車載充電器、直流/直流轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器系統(tǒng)所需的集成水平?！?/p>

以更高的效率和更高的功率密度實現(xiàn)更長的行駛時間

將動力總成系統(tǒng)集成到一個緊湊的機械外殼中不僅會使設(shè)計和組裝更簡單，還減少了對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?！叭绻梢詼p輕汽車的重量，就可以提高整體效率，增加一次充電可以行駛的里程。”

可通過提高功率密度來提升效率的創(chuàng)新功能也很關(guān)鍵。通過將相關(guān)技術(shù)（例如符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵 (GaN) 技術(shù)）運用到電動汽車中，可以在更高的效率下工作并保留熱能，從而幫助延長行駛里程。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關(guān)與經(jīng)過優(yōu)化的高速柵極驅(qū)動器一起使用，將改變游戲規(guī)則，因為它們可以將磁性元件減小 60%，從而降低了總體重量和成本，”我們公司的 GaN 營銷團隊成員 Ramanan Natarajan 說。

要將集成式動力總成架構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)實，還需要實時微控制器 (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有助于實現(xiàn)更高的開關(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。

“通過實時感應(yīng)和更高的控制環(huán)路開關(guān)頻率，我們可以將牽引電機驅(qū)動到20K RPM，”我們公司的 C2000? MCU汽車經(jīng)理 Na Kong 說。“這使汽車工程師能夠制造出比之前只能達到 10K RPM 的設(shè)計小三分之一以上且性能更高的電機。”

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

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

在電動汽車（例如傳統(tǒng)汽車）中，系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。集成式動力總成架構(gòu)更可靠，僅僅是因為出現(xiàn)故障的零件更少。除了集成系統(tǒng)的固有優(yōu)勢之外，要確保在電動汽車高壓電池環(huán)境中的可靠性，還需要強大的保護功能和峰值熱性能。

借助針對嚴(yán)苛汽車環(huán)境設(shè)計和測試的隔離式柵極驅(qū)動器和調(diào)制器，隔離技術(shù)可幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。集成式診斷功能也是安全方程式的重要組成部分，可幫助動力總成系統(tǒng)符合 ASIL D 要求，這是道路機動車輛功能安全的最高級別要求，也是電動汽車制造商面臨的一個主要難題。

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

通過動力總成集成支持電動汽車市場的加速增長

電動汽車市場正在快速增長。到 2025 年，電動汽車的數(shù)量預(yù)計將從現(xiàn)在的 560 萬輛增長到占全球汽車銷量的 30%。2動力總成集成將在電動汽車市場增長中發(fā)揮關(guān)鍵作用。已證明集成式動力總成系統(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。

“這將對電動汽車的性能和每次充電的行駛里程產(chǎn)生重大影響，最終使這些汽車更加經(jīng)濟實惠，”Karl-Heinz 說。

我們熱衷于讓世界更美好

幫助客戶設(shè)計集成式動力總成系統(tǒng)是 TI 革新者致力于通過半導(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、更實惠，開拓新市場可實現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在 TI，這就是工程的進步。這正是我們數(shù)十年來以至現(xiàn)在一直在做的事。