德州儀器聯合威邁斯加速電動汽車集成動力總成方案演進
發布時間:2021-05-25 責任編輯:lina
【導讀】隨著汽車中電子係統越來越豐富,芯片使用量越來越多,隨之而來的是電子控製單元ECU數量的大幅增加。ECU的急劇增加,無論是管理、安全還是可擴展性都帶來了很大挑戰,為此汽車域架構模式開始應運而生。通過高性能的DCU(域控製處理器),整合公用係統組件,在軟件中分配和執行,可實現以足夠的資源快速響應完成客戶需求,具備平台化、兼容性、集成高、性能高等優勢。
隨著汽車中電子係統越來越豐富,芯片使用量越來越多,隨之而來的是電子控製單元ECU數量的大幅增加。ECU的急劇增加,無論是管理、安全還是可擴展性都帶來了很大挑戰,為此汽車域架構模式開始應運而生。通過高性能的DCU(域控製處理器),整合公用係統組件,在軟件中分配和執行,可實現以足夠的資源快速響應完成客戶需求,具備平台化、兼容性、集成高、性能高等優勢。
集成動力總成解決方案嶄露頭角
如今域控製概念已經得到了商用,但是由於各種原因,大部分集中在座艙、ADAS等領域。德州儀器日前聯合威邁斯,共同宣布集成動力總成解決方案,標誌著在動力領域,域架構的概念正在開始流行。
德州儀器(TI)高壓功率,高功率驅動器市場經理Nagarajan Sridha表示,目前電動車平均價格比類似的燃油車高出12000美mei元yuan,普pu遍bian共gong識shi是shi電dian池chi成cheng本ben所suo造zao成cheng的de。但dan是shi除chu了le電dian池chi,在zai其qi他ta領ling域yu,依yi然ran可ke以yi有you降jiang低di成cheng本ben的de可ke能neng性xing。比bi如ru在zai動dong力li係xi統tong中zhong,減jian少shao電dian力li電dian子zi元yuan件jian數shu量liang,並bing將jiang其qi整zheng合he到dao更geng小xiao的de係xi統tong中zhong。
德州儀器中國區汽車業務部現場技術應用經理周東寶表示,“TIdechanpinhejishuzhichikeyibangzhukehuquanmianshixiandonglizongchengxitongfangandejicheng。womenyujijichenghuadefangankeyibangzhuzhenggexitongdechicunhechengbendoujiangdiyiban。”
動力係統包括了電機控製器、高壓配電單元、DC/DC、車載充電器、電源管理係統(BMS)等等。根據不同的集成模塊數量,可以劃分為二合一方案、三合一方案、五合一方案。根據集成的難易程度,動力總成集成可以分為基礎的機械層麵的集成:物理集成,以及更複雜的控製邏輯和功率層級方麵的集成。“通過使用TI的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an),客(ke)戶(hu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)從(cong)分(fen)布(bu)式(shi)的(de)電(dian)源(yuan)架(jia)構(gou)到(dao)單(dan)個(ge)動(dong)力(li)域(yu)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)方(fang)案(an)的(de)轉(zhuan)變(bian)。整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)也(ye)會(hui)隨(sui)著(zhe)整(zheng)合(he)級(ji)別(bie)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)提(ti)高(gao),對(dui)客(ke)戶(hu)的(de)收(shou)益(yi)也(ye)會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao),但(dan)同(tong)時(shi)挑(tiao)戰(zhan)也(ye)會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)。”周東寶說道。
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理韓永傑也對TI的集成動力總成解決方案給予了肯定,作為OBC和DC/DC產品國內市占率最大的供應商,威邁斯一直同TI保持著緊密的合作關係。目前威邁斯正在從OBC和DC/DC業務向動力係統擴展,一方麵是因為OBC、DC/DC及驅動器裏麵的電機控製器等產品比較接近。另外則是動力係統集成一定是未來的發展趨勢。目前,威邁斯的產品在可靠性、功率密度和體積方麵的優勢,使得客戶可以在整車上布局更為靈活,也因此獲得了市場的廣泛認可。
德州儀器EV/HEV SEM團隊成員,TÜV SÜD認證功能安全工程師曹偉傑具體介紹了目前市場上幾種動力係統解決方案,具體包括:
方法1:形成獨立的係統。這種方法已不如幾年前流行。
方法2:可分為兩個步驟:直流/直流轉換器和車載充電器共享機械外殼,但擁有各自獨立的冷卻係統。同時共享外殼和冷卻係統(最常選用的方法)。
方法3:進行控製級集成。這種方法正在演變為第4種方法。
方法4:相比於其他三種方法,此方法由於減少了電源電路中的電源開關和磁性元件,所以成本優勢更大,但它的控製算法也更複雜。

四種方法對比
韓永傑也表示,目前威邁斯推出了OBC和DC/DCjichengdechanpin,xingnengxianzhutishengdetongshi,shixianlechengbendejiangdi,jianshaochanpindetijihezhongliang。hanyongjiejieshaodao,muqianshichangshangjichengfangshizhuyaoyouliangzhong,yizhongshiwulijicheng,baOBC和DC從物理的兩個盒子放在一個盒子裏,是傳統接插件共用的概念。而威邁斯的磁集成方法類似於曹偉傑所介紹的第4種方法。通過共享電力電子器件和變壓器,實現了最高等級的集成。

威邁斯充電係統集成化產品
周東寶詳細列舉了集成動力總成的四大優勢,分別為:
電驅動係統多合一的集成化的解決方案,通過共享外殼的耦合以及冷卻係統,減少連接器的數量;
通過更進一步的共享控製電路以及共享功率電路等,有效地降低電驅動係統的體積、重量和成本,同時提高電驅動係統的功率密度;
更好地實現輕量化,有助於延長電動汽車的續航裏程;
tongguozhengtishangduixitongjinxingrexingnengdeyouhua,baozhengxitongdekekaoxing。tongshiwomenzhuyidaogongnenganquanshixianzaidianqudongxitonglimianfeichangzhongyaodeyigeshejizhibiao,suoyiwomenjichenghuadejiejuefanganyeyouzhuyujianhuagongnenganquanxitongdekaifaherenzhenggongzuo。
集成動力總成都需要哪些要素
集(ji)成(cheng)動(dong)力(li)總(zong)成(cheng)優(you)勢(shi)看(kan)似(si)很(hen)大(da),但(dan)實(shi)際(ji)上(shang)還(hai)需(xu)要(yao)顯(xian)著(zhu)克(ke)服(fu)諸(zhu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan),包(bao)括(kuo)控(kong)製(zhi)器(qi)性(xing)能(neng),控(kong)製(zhi)器(qi)算(suan)法(fa),磁(ci)集(ji)成(cheng)的(de)設(she)計(ji),冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)等(deng)多(duo)方(fang)麵(mian)因(yin)素(su)。
德州儀器正在結合自身在車載控製,功率等器件領域的積累,以及在安全認證等服務上的努力,幫助客戶簡化動力總成設計上的挑戰。
微控製器
如之前所述,方法4的控製算法最為複雜,因此首要任務就是選擇一款適合的微控製器。
C2000實時微控製器可以提供高達925MIPS的處理能力,結合TI靈活配置的高精度PWM模塊,可以非常輕鬆地適配各種複雜的電源拓撲,以及更高階的控製算法,從而實現整個係統更高的效率。
周東寶介紹道,C2000實時微控製器集成了非常豐富的模擬功能模塊,比如內置的ADC、DAC以及比較器等模塊。通過這些模塊可以實現低至30ns以內的響應時間,響應一些診斷保護和故障等。由於是純硬件控製響應,因此不需要CPU模塊的參與,可進一步地提高係統的可靠性。
除了模擬集成,C2000實時MCU也ye集ji成cheng了le浮fu點dian運yun算suan單dan元yuan和he三san角jiao函han數shu加jia速su器qi等deng硬ying件jian加jia速su單dan元yuan,可ke以yi顯xian著zhu地di減jian少shao複fu雜za計ji算suan所suo需xu要yao的de周zhou期qi數shu。計ji算suan時shi間jian的de減jian少shao意yi味wei著zhe在zai不bu提ti高gao開kai關guan頻pin率lv的de前qian提ti下xia提ti高gao整zheng個ge環huan路lu的de效xiao率lv,可ke以yi顯xian著zhu地di減jian少shao磁ci性xing元yuan器qi件jian的de尺chi寸cun,提ti高gao整zheng個ge係xi統tong的de效xiao率lv和he功gong率lv密mi度du。
韓永傑也特別強調了C2000實時微控製器在係統中“扮演著重要的角色”。
第三代半導體
第三代半導體(SiC/GaN等)youyuqicailiaotexing,zhichigaopinhegaoyagongzuo,bingqiejiewengenggao,yincifeichangshiheduiyugonglvmidujireguanliyaoqiukekededonglixitongzhong。jinguanrujindisandaibandaotichanpinshoujiaxiangjiaoMOSFET和IGBT更高,但是考慮到散熱、無源元件、尺寸等係統因素,其成本優勢已經開始顯現。更不用說隨著產量增加,還有進一步的下降空間。
TI推出的集成驅動器的GaN MOSFET產品,簡化了GaN係統設計,並且沒有傳統GaN MOSFET的寄生二極管反向恢複問題,因此可以實現2.2MHz的高工作頻率。
該器件同時內置了數字溫度的采樣功能,可以實時檢測溫度信息,實現及時的熱管理。此外,也集成常用的保護功能,包括過流、短路、過溫和欠壓等,保護電路的響應時間小於100ns,提高了係統的可靠性。
該器件采用了TI定製開發了低寄生電感增強散熱型的貼片式封裝,實現了兩倍功率密度提升,並且磁性元器件尺寸可縮小59%。
隔離驅動器
除chu了le控kong製zhi器qi和he功gong率lv器qi件jian之zhi外wai,隔ge離li驅qu動dong器qi是shi動dong力li係xi統tong中zhong的de三san大da要yao素su之zhi一yi。由you於yu高gao電dian壓ya與yu電dian池chi電dian路lu之zhi間jian存cun在zai著zhe巨ju大da的de電dian壓ya差cha,為wei了le保bao持chi安an全quan和he信xin號hao完wan整zheng性xing,必bi須xu在zai一yi次ci側ce和he二er次ci側ce之zhi間jian進jin行xing有you效xiao隔ge離li。針zhen對dui隔ge離li技ji術shu,TI開發的電容式隔離可以兼顧高數據傳輸率和高抗噪能力。
TI最新的驅動器UCC5870-Q1,集成的高級隔離功能可以做到150V/ns的共模抑製比,同時還集成了更多的診斷和保護功能,可以在200ns時間內進行短路保護。
該係列可實現高達15A的峰值電流的驅動能力,客戶無需再增加額外的功率放大電路。

采用智能隔離技術之後,布板麵積有了大幅度下降
溫度傳感器
為了確保動力總成係統的總體安全性,溫度傳感器也是必不可少的。TI的TMP126溫度傳感器工作溫度可達-40℃至175℃的寬溫範圍,同時全溫度下擁有±0.3℃的采樣精度,更準確地支持客戶各類溫度補償設計,提高係統效率,減少冗餘度。
該傳感器采用SPI總線接口,內置循環冗餘校驗功能,可確保在高噪聲的電磁環境下可靠通信。
安全認證
安全是電動汽車的基礎,尤其是針對動力總成係統來說,優秀的安全性是確保汽車可以正常行駛的最關鍵部件。失效率(FIT)是衡量汽車安全性關鍵指標,比如ASIL-D標準要求FIT低於10。(FIT(失效率,failures in time)指的是1個(單位)的產品在1*10^9小時內出現1次失效(或故障)的情況。產品在使用1億小時之內,發生了1次失效,那我們就稱這個產品在該時間段內的失效率是1FIT。)
如今,ASIL-B或者ASIL-C等要求正在引入OBC和DC/DC轉換器中。
除了通過高集成度提高安全性之外,據周東寶介紹,TI正在通過兩種途徑幫助客戶簡化功能安全係統設計的開發和認證。首先是提供符合功能安全標準的產品。比如UCC5870,是按照TI經過TÜV SÜD認證的功能安全產品開發流程所開發的。可以提供非常完整的功能安全相關的文檔,比如FMEDA、功能安全手冊、FIT值等。對於大多數常用的一些信號鏈的產品,如簡單的電源和信號鏈產品,TI也可以提供整個器件功能安全的FIT值,以及它失效模式的分布等等這些技術文檔,幫助客戶進行功能安全的設計。
其次,為了加速客戶開發時間,TI同TÜV SÜD合作,開發了可以達到ASIL D的集成牽引驅動器和DC/DC直流變換器的升級參考(TIDM-02009),該參考設計使用了TI最新的C2000係列MCU以及UCC5870隔離驅動器,它可以實現高達2萬轉每分鍾的轉速,以及2 MHz的開關頻率。
總結
“作為TI來說,正在越來越多地跟整車廠、Tier 1直接合作,提供一些係統解決方案,而不是說單純地作為一個芯片廠商來提供器件,以滿足他們的需求。”曹偉傑說道。
對此,韓永傑也表示,未來動力總成係統將會進一步集成,威邁斯正在同TI深度合作,尤其是C2000和UCC5870等產品上。“在過去這幾年中,我們跟TI在產品的持續創新、前瞻高性能產品以及專業的技術合作交流等方麵取得了很大的成果,TI也給予了充分的支持,相信我們未來布局下一代產品時會有更好的前景。”
韓永傑表示,未來OBC、DC/DC和PDU的集成,與電機驅動及動力域控製器結合,從而構成完整的動力域,這也是目前威邁斯和TI聯合深度合作的重點領域之一。

動力域高集成解決方案
通過高集成度的創新型產品和架構,TI正(zheng)在(zai)為(wei)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)客(ke)戶(hu)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)的(de)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)及(ji)更(geng)低(di)的(de)成(cheng)本(ben),增(zeng)加(jia)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)續(xu)航(hang)裏(li)程(cheng),同(tong)時(shi)幫(bang)助(zhu)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)市(shi)場(chang)不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)與(yu)傳(chuan)統(tong)燃(ran)油(you)車(che)之(zhi)間(jian)的(de)成(cheng)本(ben)差(cha)距(ju)。
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