【導(dǎo)讀】隨著汽車中電子系統(tǒng)越來越豐富，芯片使用量越來越多，隨之而來的是電子控制單元ECU數(shù)量的大幅增加。ECU的急劇增加，無論是管理、安全還是可擴(kuò)展性都帶來了很大挑戰(zhàn)，為此汽車域架構(gòu)模式開始應(yīng)運(yùn)而生。通過高性能的DCU（域控制處理器），整合公用系統(tǒng)組件，在軟件中分配和執(zhí)行，可實(shí)現(xiàn)以足夠的資源快速響應(yīng)完成客戶需求，具備平臺化、兼容性、集成高、性能高等優(yōu)勢。
隨著汽車中電子系統(tǒng)越來越豐富，芯片使用量越來越多，隨之而來的是電子控制單元ECU數(shù)量的大幅增加。ECU的急劇增加，無論是管理、安全還是可擴(kuò)展性都帶來了很大挑戰(zhàn)，為此汽車域架構(gòu)模式開始應(yīng)運(yùn)而生。通過高性能的DCU（域控制處理器），整合公用系統(tǒng)組件，在軟件中分配和執(zhí)行，可實(shí)現(xiàn)以足夠的資源快速響應(yīng)完成客戶需求，具備平臺化、兼容性、集成高、性能高等優(yōu)勢。
集成動力總成解決方案嶄露頭角
如今域控制概念已經(jīng)得到了商用，但是由于各種原因，大部分集中在座艙、ADAS等領(lǐng)域。德州儀器日前聯(lián)合威邁斯，共同宣布集成動力總成解決方案，標(biāo)志著在動力領(lǐng)域，域架構(gòu)的概念正在開始流行。
德州儀器（TI）高壓功率，高功率驅(qū)動器市場經(jīng)理Nagarajan Sridha表示，目前電動車平均價(jià)格比類似的燃油車高出12000美元，普遍共識是電池成本所造成的。但是除了電池，在其他領(lǐng)域，依然可以有降低成本的可能性。比如在動力系統(tǒng)中，減少電力電子元件數(shù)量，并將其整合到更小的系統(tǒng)中。
德州儀器中國區(qū)汽車業(yè)務(wù)部現(xiàn)場技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶表示，“TI的產(chǎn)品和技術(shù)支持可以幫助客戶全面實(shí)現(xiàn)動力總成系統(tǒng)方案的集成。我們預(yù)計(jì)集成化的方案可以幫助整個系統(tǒng)的尺寸和成本都降低一半。”
動力系統(tǒng)包括了電機(jī)控制器、高壓配電單元、DC/DC、車載充電器、電源管理系統(tǒng)（BMS）等等。根據(jù)不同的集成模塊數(shù)量，可以劃分為二合一方案、三合一方案、五合一方案。根據(jù)集成的難易程度，動力總成集成可以分為基礎(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方面的集成。“通過使用TI的解決方案，客戶可以實(shí)現(xiàn)從分布式的電源架構(gòu)到單個動力域的控制器的方案的轉(zhuǎn)變。整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會隨著整合級別的增加而提高，對客戶的收益也會越來越高，但同時挑戰(zhàn)也會越來越多。”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(jīng)理韓永杰也對TI的集成動力總成解決方案給予了肯定，作為OBC和DC/DC產(chǎn)品國內(nèi)市占率最大的供應(yīng)商，威邁斯一直同TI保持著緊密的合作關(guān)系。目前威邁斯正在從OBC和DC/DC業(yè)務(wù)向動力系統(tǒng)擴(kuò)展，一方面是因?yàn)镺BC、DC/DC及驅(qū)動器里面的電機(jī)控制器等產(chǎn)品比較接近。另外則是動力系統(tǒng)集成一定是未來的發(fā)展趨勢。目前，威邁斯的產(chǎn)品在可靠性、功率密度和體積方面的優(yōu)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(rèn)可。
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具體介紹了目前市場上幾種動力系統(tǒng)解決方案，具體包括：
方法1：形成獨(dú)立的系統(tǒng)。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(zhuǎn)換器和車載充電器共享機(jī)械外殼，但擁有各自獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。同時共享外殼和冷卻系統(tǒng)（最常選用的方法）。
方法3：進(jìn)行控制級集成。這種方法正在演變?yōu)榈?種方法。
方法4：相比于其他三種方法，此方法由于減少了電源電路中的電源開關(guān)和磁性元件，所以成本優(yōu)勢更大，但它的控制算法也更復(fù)雜。
四種方法對比
韓永杰也表示，目前威邁斯推出了OBC和DC/DC集成的產(chǎn)品，性能顯著提升的同時，實(shí)現(xiàn)了成本的降低，減少產(chǎn)品的體積和重量。韓永杰介紹道，目前市場上集成方式主要有兩種，一種是物理集成，把OBC和DC從物理的兩個盒子放在一個盒子里，是傳統(tǒng)接插件共用的概念。而威邁斯的磁集成方法類似于曹偉杰所介紹的第4種方法。通過共享電力電子器件和變壓器，實(shí)現(xiàn)了最高等級的集成。
威邁斯充電系統(tǒng)集成化產(chǎn)品
周東寶詳細(xì)列舉了集成動力總成的四大優(yōu)勢，分別為：
電驅(qū)動系統(tǒng)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系統(tǒng)，減少連接器的數(shù)量；
通過更進(jìn)一步的共享控制電路以及共享功率電路等，有效地降低電驅(qū)動系統(tǒng)的體積、重量和成本，同時提高電驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度；
更好地實(shí)現(xiàn)輕量化，有助于延長電動汽車的續(xù)航里程；
通過整體上對系統(tǒng)進(jìn)行熱性能的優(yōu)化，保證系統(tǒng)的可靠性。同時我們注意到功能安全是現(xiàn)在電驅(qū)動系統(tǒng)里面非常重要的一個設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以我們集成化的解決方案也有助于簡化功能安全系統(tǒng)的開發(fā)和認(rèn)證工作。
集成動力總成都需要哪些要素
集成動力總成優(yōu)勢看似很大，但實(shí)際上還需要顯著克服諸多挑戰(zhàn)，包括控制器性能，控制器算法，磁集成的設(shè)計(jì)，冷卻系統(tǒng)等多方面因素。
德州儀器正在結(jié)合自身在車載控制，功率等器件領(lǐng)域的積累，以及在安全認(rèn)證等服務(wù)上的努力，幫助客戶簡化動力總成設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。
微控制器
如之前所述，方法4的控制算法最為復(fù)雜，因此首要任務(wù)就是選擇一款適合的微控制器。
C2000實(shí)時微控制器可以提供高達(dá)925MIPS的處理能力，結(jié)合TI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)洌约案唠A的控制算法，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)更高的效率。
周東寶介紹道，C2000實(shí)時微控制器集成了非常豐富的模擬功能模塊，比如內(nèi)置的ADC、DAC以及比較器等模塊。通過這些模塊可以實(shí)現(xiàn)低至30ns以內(nèi)的響應(yīng)時間，響應(yīng)一些診斷保護(hù)和故障等。由于是純硬件控制響應(yīng)，因此不需要CPU模塊的參與，可進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的可靠性。
除了模擬集成，C2000實(shí)時MCU也集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元和三角函數(shù)加速器等硬件加速單元，可以顯著地減少復(fù)雜計(jì)算所需要的周期數(shù)。計(jì)算時間的減少意味著在不提高開關(guān)頻率的前提下提高整個環(huán)路的效率，可以顯著地減少磁性元器件的尺寸，提高整個系統(tǒng)的效率和功率密度。
韓永杰也特別強(qiáng)調(diào)了C2000實(shí)時微控制器在系統(tǒng)中“扮演著重要的角色”。
第三代半導(dǎo)體
第三代半導(dǎo)體（SiC/GaN等）由于其材料特性，支持高頻和高壓工作，并且結(jié)溫更高，因此非常適合對于功率密度及熱管理要求苛刻的動力系統(tǒng)中。盡管如今第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品售價(jià)相較MOSFET和IGBT更高，但是考慮到散熱、無源元件、尺寸等系統(tǒng)因素，其成本優(yōu)勢已經(jīng)開始顯現(xiàn)。更不用說隨著產(chǎn)量增加，還有進(jìn)一步的下降空間。
TI推出的集成驅(qū)動器的GaN MOSFET產(chǎn)品，簡化了GaN系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且沒有傳統(tǒng)GaN MOSFET的寄生二極管反向恢復(fù)問題，因此可以實(shí)現(xiàn)2.2MHz的高工作頻率。
該器件同時內(nèi)置了數(shù)字溫度的采樣功能，可以實(shí)時檢測溫度信息，實(shí)現(xiàn)及時的熱管理。此外，也集成常用的保護(hù)功能，包括過流、短路、過溫和欠壓等，保護(hù)電路的響應(yīng)時間小于100ns，提高了系統(tǒng)的可靠性。
該器件采用了TI定制開發(fā)了低寄生電感增強(qiáng)散熱型的貼片式封裝，實(shí)現(xiàn)了兩倍功率密度提升，并且磁性元器件尺寸可縮小59%。
隔離驅(qū)動器
除了控制器和功率器件之外，隔離驅(qū)動器是動力系統(tǒng)中的三大要素之一。由于高電壓與電池電路之間存在著巨大的電壓差，為了保持安全和信號完整性，必須在一次側(cè)和二次側(cè)之間進(jìn)行有效隔離。針對隔離技術(shù)，TI開發(fā)的電容式隔離可以兼顧高數(shù)據(jù)傳輸率和高抗噪能力。
TI最新的驅(qū)動器UCC5870-Q1，集成的高級隔離功能可以做到150V/ns的共模抑制比，同時還集成了更多的診斷和保護(hù)功能，可以在200ns時間內(nèi)進(jìn)行短路保護(hù)。
該系列可實(shí)現(xiàn)高達(dá)15A的峰值電流的驅(qū)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(shù)之后，布板面積有了大幅度下降
溫度傳感器
為了確保動力總成系統(tǒng)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(dá)-40℃至175℃的寬溫范圍，同時全溫度下?lián)碛?plusmn;0.3℃的采樣精度，更準(zhǔn)確地支持客戶各類溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)效率，減少冗余度。
該傳感器采用SPI總線接口，內(nèi)置循環(huán)冗余校驗(yàn)功能，可確保在高噪聲的電磁環(huán)境下可靠通信。
安全認(rèn)證
安全是電動汽車的基礎(chǔ)，尤其是針對動力總成系統(tǒng)來說，優(yōu)秀的安全性是確保汽車可以正常行駛的最關(guān)鍵部件。失效率（FIT）是衡量汽車安全性關(guān)鍵指標(biāo)，比如ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)要求FIT低于10。（FIT(失效率,failures in time)指的是1個(單位)的產(chǎn)品在1*10^9小時內(nèi)出現(xiàn)1次失效(或故障)的情況。產(chǎn)品在使用1億小時之內(nèi),發(fā)生了1次失效,那我們就稱這個產(chǎn)品在該時間段內(nèi)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(zhuǎn)換器中。
除了通過高集成度提高安全性之外，據(jù)周東寶介紹，TI正在通過兩種途徑幫助客戶簡化功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)和認(rèn)證。首先是提供符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。比如UCC5870，是按照TI經(jīng)過TÜV SÜD認(rèn)證的功能安全產(chǎn)品開發(fā)流程所開發(fā)的。可以提供非常完整的功能安全相關(guān)的文檔，比如FMEDA、功能安全手冊、FIT值等。對于大多數(shù)常用的一些信號鏈的產(chǎn)品，如簡單的電源和信號鏈產(chǎn)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(shù)文檔，幫助客戶進(jìn)行功能安全的設(shè)計(jì)。
其次，為了加速客戶開發(fā)時間，TI同TÜV SÜD合作，開發(fā)了可以達(dá)到ASIL D的集成牽引驅(qū)動器和DC/DC直流變換器的升級參考（TIDM-02009），該參考設(shè)計(jì)使用了TI最新的C2000系列MCU以及UCC5870隔離驅(qū)動器，它可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)2萬轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速，以及2 MHz的開關(guān)頻率。
總結(jié)
“作為TI來說，正在越來越多地跟整車廠、Tier 1直接合作，提供一些系統(tǒng)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。”曹偉杰說道。
對此，韓永杰也表示，未來動力總成系統(tǒng)將會進(jìn)一步集成，威邁斯正在同TI深度合作，尤其是C2000和UCC5870等產(chǎn)品上。“在過去這幾年中，我們跟TI在產(chǎn)品的持續(xù)創(chuàng)新、前瞻高性能產(chǎn)品以及專業(yè)的技術(shù)合作交流等方面取得了很大的成果，TI也給予了充分的支持，相信我們未來布局下一代產(chǎn)品時會有更好的前景。”
韓永杰表示，未來OBC、DC/DC和PDU的集成，與電機(jī)驅(qū)動及動力域控制器結(jié)合，從而構(gòu)成完整的動力域，這也是目前威邁斯和TI聯(lián)合深度合作的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。
動力域高集成解決方案
通過高集成度的創(chuàng)新型產(chǎn)品和架構(gòu)，TI正在為電動汽車客戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性及更低的成本，增加電動汽車的效率和續(xù)航里程，同時幫助電動汽車市場不斷縮小與傳統(tǒng)燃油車之間的成本差距。
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