德州儀器聯(lián)合威邁斯加速電動(dòng)汽車集成動(dòng)力總成方案演進(jìn)
發(fā)布時(shí)間:2021-05-25 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著汽車中電子系統(tǒng)越來(lái)越豐富,芯片使用量越來(lái)越多,隨之而來(lái)的是電子控制單元ECU數(shù)量的大幅增加。ECU的急劇增加,無(wú)論是管理、安全還是可擴(kuò)展性都帶來(lái)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(tái)化、兼容性、集成高、性能高等優(yōu)勢(shì)。
隨著汽車中電子系統(tǒng)越來(lái)越豐富,芯片使用量越來(lái)越多,隨之而來(lái)的是電子控制單元ECU數(shù)量的大幅增加。ECU的急劇增加,無(wú)論是管理、安全還是可擴(kuò)展性都帶來(lái)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(tái)化、兼容性、集成高、性能高等優(yōu)勢(shì)。
集成動(dòng)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(dòng)力總成解決方案,標(biāo)志著在動(dòng)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(dòng)器市場(chǎng)經(jīng)理Nagarajan Sridha表示,目前電動(dòng)車平均價(jià)格比類似的燃油車高出12000美元,普遍共識(shí)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(dòng)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(guó)區(qū)汽車業(yè)務(wù)部現(xiàn)場(chǎng)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(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。”
動(dòng)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(dòng)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(jí)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(gè)動(dòng)力域的控制器的方案的轉(zhuǎn)變。整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會(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(duì)TI的集成動(dòng)力總成解決方案給予了肯定,作為OBC和DC/DC產(chǎn)品國(guó)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(dòng)力系統(tǒng)擴(kuò)展,一方面是因?yàn)镺BC、DC/DC及驅(qū)動(dòng)器里面的電機(jī)控制器等產(chǎn)品比較接近。另外則是動(dòng)力系統(tǒng)集成一定是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。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(shì),使得客戶可以在整車上布局更為靈活,也因此獲得了市場(chǎng)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(chǎng)上幾種動(dòng)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(gè)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(shí)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(jí)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(shì)更大,但它的控制算法也更復(fù)雜。
四種方法對(duì)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(shí),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(chǎng)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(gè)盒子放在一個(gè)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(jí)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(dòng)力總成的四大優(yōu)勢(shì),分別為:
電驅(qū)動(dòng)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(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)汽車的續(xù)航里程;
通過整體上對(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)我們注意到功能安全是現(xiàn)在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里面非常重要的一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo),所以我們集成化的解決方案也有助于簡(jiǎn)化功能安全系統(tǒng)的開發(fā)和認(rèn)證工作。
集成動(dòng)力總成都需要哪些要素
集成動(dòng)力總成優(yōu)勢(shì)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(jiǎn)化動(dòng)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(shí)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)?,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。
周東寶介紹道,C2000實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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?gòu)?fù)雜計(jì)算所需要的周期數(shù)。計(jì)算時(shí)間的減少意味著在不提高開關(guān)頻率的前提下提高整個(gè)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(gè)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(shí)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(duì)于功率密度及熱管理要求苛刻的動(dòng)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(wú)源元件、尺寸等系統(tǒng)因素,其成本優(yōu)勢(shì)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(dòng)器的GaN MOSFET產(chǎn)品,簡(jiǎn)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(shí)內(nèi)置了數(shù)字溫度的采樣功能,可以實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度信息,實(shí)現(xiàn)及時(shí)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(shí)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(dòng)器
除了控制器和功率器件之外,隔離驅(qū)動(dòng)器是動(dòng)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(hào)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(duì)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(dòng)器UCC5870-Q1,集成的高級(jí)隔離功能可以做到150V/ns的共模抑制比,同時(shí)還集成了更多的診斷和保護(hù)功能,可以在200ns時(shí)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(dòng)能力,客戶無(wú)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(dòng)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(shí)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(dòng)汽車的基礎(chǔ),尤其是針對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)來(lái)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(gè)(單位)的產(chǎn)品在1*10^9小時(shí)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(shí)之內(nèi),發(fā)生了1次失效,那我們就稱這個(gè)產(chǎn)品在該時(shí)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(jiǎn)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??梢蕴峁┓浅M暾墓δ馨踩嚓P(guān)的文檔,比如FMEDA、功能安全手冊(cè)、FIT值等。對(duì)于大多數(shù)常用的一些信號(hào)鏈的產(chǎn)品,如簡(jiǎn)單的電源和信號(hào)鏈產(chǎn)品,TI也可以提供整個(gè)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(shí)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(dòng)器和DC/DC直流變換器的升級(jí)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(dòng)器,它可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)2萬(wàn)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(lái)說,正在越來(lái)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(gè)芯片廠商來(lái)提供器件,以滿足他們的需求。”曹偉杰說道。
對(duì)此,韓永杰也表示,未來(lái)動(dòng)力總成系統(tǒng)將會(huì)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(lái)布局下一代產(chǎn)品時(shí)會(huì)有更好的前景。”
韓永杰表示,未來(lái)OBC、DC/DC和PDU的集成,與電機(jī)驅(qū)動(dòng)及動(dòng)力域控制器結(jié)合,從而構(gòu)成完整的動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車的效率和續(xù)航里程,同時(shí)幫助電動(dòng)汽車市場(chǎng)不斷縮小與傳統(tǒng)燃油車之間的成本差距。
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