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后，我們的客戶可以將系統(tǒng)設計成本削減一半，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成本比傳統(tǒng)內燃機汽車高出 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)的結合體，將電池、直流/直流轉換器、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的進步，設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準。

“這就要求我們滿足基本的技術和安全要求，同時使之更經濟實用，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)工程團隊負責人Karl-Heinz Steinmetz說。

總部位于中國深圳的電動汽車組件供應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。

“要想設計出對于全中國消費者而言更加高效、可靠且經濟實惠的電動汽車，動力總成集成是關鍵，”威邁斯 (VMAX) 副總裁韓永杰說。“德州儀器 (TI) 的技術和專業(yè)知識正在幫助我們達到客戶對車載充電器、直流/直流轉換器和牽引逆變器系統(tǒng)所需的集成水平。”

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。“如果可以減輕汽車的重量，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)新功能也很關鍵。通過將相關技術（例如符合汽車標準的氮化鎵 (GaN) 技術）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與經過優(yōu)化的高速柵極驅動器一起使用，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換的復雜需求。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。

“通過實時感應和更高的控制環(huán)路開關頻率，我們可以將牽引電機驅動到20K RPM，”我們公司的 C2000? MCU汽車經理 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，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。

“當汽車制造商轉向集成架構時，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準

在電動汽車（例如傳統(tǒng)汽車）中，系統(tǒng)可靠性至關重要。集成式動力總成架構更可靠，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。

借助針對嚴苛汽車環(huán)境設計和測試的隔離式柵極驅動器和調制器，隔離技術可幫助應對這些挑戰(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計至關重要，因此我們非常重視這些考慮事項。我們的參考設計著重關注安全性，該設計已經過 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生重大影響，最終使這些汽車更加經濟實惠，”Karl-Heinz 說。

我們熱衷于讓世界更美好

幫助客戶設計集成式動力總成系統(tǒng)是 TI 革新者致力于通過半導體技術降低電子產品成本、讓世界更美好的明證。每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎之上，使技術變得更小巧、更高效、更可靠、更實惠，開拓新市場可實現(xiàn)半導體在電子產品領域的廣泛應用。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。