【導讀】隨著(zhù)汽車(chē)中電子系統越來(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數量的大幅增加。ECU的急劇增加，無(wú)論是管理、安全還是可擴展性都帶來(lái)了很大挑戰，為此汽車(chē)域架構模式開(kāi)始應運而生。通過(guò)高性能的DCU（域控制處理器），整合公用系統組件，在軟件中分配和執行，可實(shí)現以足夠的資源快速響應完成客戶(hù)需求，具備平臺化、兼容性、集成高、性能高等優(yōu)勢。
隨著(zhù)汽車(chē)中電子系統越來(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數量的大幅增加。ECU的急劇增加，無(wú)論是管理、安全還是可擴展性都帶來(lái)了很大挑戰，為此汽車(chē)域架構模式開(kāi)始應運而生。通過(guò)高性能的DCU（域控制處理器），整合公用系統組件，在軟件中分配和執行，可實(shí)現以足夠的資源快速響應完成客戶(hù)需求，具備平臺化、兼容性、集成高、性能高等優(yōu)勢。
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，標志著(zhù)在動(dòng)力領(lǐng)域，域架構的概念正在開(kāi)始流行。
德州儀器（TI）高壓功率，高功率驅動(dòng)器市場(chǎng)經(jīng)理Nagarajan Sridha表示，目前電動(dòng)車(chē)平均價(jià)格比類(lèi)似的燃油車(chē)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(dòng)力系統中，減少電力電子元件數量，并將其整合到更小的系統中。
德州儀器中國區汽車(chē)業(yè)務(wù)部現場(chǎng)技術(shù)應用經(jīng)理周東寶表示，“TI的產(chǎn)品和技術(shù)支持可以幫助客戶(hù)全面實(shí)現動(dòng)力總成系統方案的集成。我們預計集成化的方案可以幫助整個(gè)系統的尺寸和成本都降低一半。”
動(dòng)力系統包括了電機控制器、高壓配電單元、DC/DC、車(chē)載充電器、電源管理系統（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(dòng)力總成集成可以分為基礎的機械層面的集成：物理集成，以及更復雜的控制邏輯和功率層級方面的集成。“通過(guò)使用TI的解決方案，客戶(hù)可以實(shí)現從分布式的電源架構到單個(gè)動(dòng)力域的控制器的方案的轉變。整個(gè)系統的復雜程度也會(huì )隨著(zhù)整合級別的增加而提高，對客戶(hù)的收益也會(huì )越來(lái)越高，但同時(shí)挑戰也會(huì )越來(lái)越多。”周東寶說(shuō)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(dòng)力總成解決方案給予了肯定，作為OBC和DC/DC產(chǎn)品國內市占率最大的供應商，威邁斯一直同TI保持著(zhù)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)力系統擴展，一方面是因為OBC、DC/DC及驅動(dòng)器里面的電機控制器等產(chǎn)品比較接近。另外則是動(dòng)力系統集成一定是未來(lái)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(hù)可以在整車(chē)上布局更為靈活，也因此獲得了市場(chǎng)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杰具體介紹了目前市場(chǎng)上幾種動(dòng)力系統解決方案，具體包括：
方法1：形成獨立的系統。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/直流轉換器和車(chē)載充電器共享機械外殼，但擁有各自獨立的冷卻系統。同時(shí)共享外殼和冷卻系統（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(kāi)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(zhù)提升的同時(shí)，實(shí)現了成本的降低，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，是傳統接插件共用的概念。而威邁斯的磁集成方法類(lèi)似于曹偉杰所介紹的第4種方法。通過(guò)共享電力電子器件和變壓器，實(shí)現了最高等級的集成。
威邁斯充電系統集成化產(chǎn)品
周東寶詳細列舉了集成動(dòng)力總成的四大優(yōu)勢，分別為：
電驅動(dòng)系統多合一的集成化的解決方案，通過(guò)共享外殼的耦合以及冷卻系統，減少連接器的數量；
通過(guò)更進(jìn)一步的共享控制電路以及共享功率電路等，有效地降低電驅動(dòng)系統的體積、重量和成本，同時(shí)提高電驅動(dòng)系統的功率密度；
更好地實(shí)現輕量化，有助于延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)的續航里程；
通過(guò)整體上對系統進(jìn)行熱性能的優(yōu)化，保證系統的可靠性。同時(shí)我們注意到功能安全是現在電驅動(dòng)系統里面非常重要的一個(gè)設計指標，所以我們集成化的解決方案也有助于簡(jiǎn)化功能安全系統的開(kāi)發(fā)和認證工作。
集成動(dòng)力總成都需要哪些要素
集成動(dòng)力總成優(yōu)勢看似很大，但實(shí)際上還需要顯著(zhù)克服諸多挑戰，包括控制器性能，控制器算法，磁集成的設計，冷卻系統等多方面因素。
德州儀器正在結合自身在車(chē)載控制，功率等器件領(lǐng)域的積累，以及在安全認證等服務(wù)上的努力，幫助客戶(hù)簡(jiǎn)化動(dòng)力總成設計上的挑戰。
微控制器
如之前所述，方法4的控制算法最為復雜，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，可以非常輕松地適配各種復雜的電源拓撲，以及更高階的控制算法，從而實(shí)現整個(gè)系統更高的效率。
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，比如內置的ADC、DAC以及比較器等模塊。通過(guò)這些模塊可以實(shí)現低至30ns以?xún)鹊捻憫獣r(shí)間，響應一些診斷保護和故障等。由于是純硬件控制響應，因此不需要CPU模塊的參與，可進(jìn)一步地提高系統的可靠性。
除了模擬集成，C2000實(shí)時(shí)MCU也集成了浮點(diǎn)運算單元和三角函數加速器等硬件加速單元，可以顯著(zhù)地減少復雜計算所需要的周期數。計算時(shí)間的減少意味著(zhù)在不提高開(kāi)關(guān)頻率的前提下提高整個(gè)環(huán)路的效率，可以顯著(zhù)地減少磁性元器件的尺寸，提高整個(gè)系統的效率和功率密度。
韓永杰也特別強調了C2000實(shí)時(shí)微控制器在系統中“扮演著(zhù)重要的角色”。
第三代半導體
第三代半導體（SiC/GaN等）由于其材料特性，支持高頻和高壓工作，并且結溫更高，因此非常適合對于功率密度及熱管理要求苛刻的動(dòng)力系統中。盡管如今第三代半導體產(chǎn)品售價(jià)相較MOSFET和IGBT更高，但是考慮到散熱、無(wú)源元件、尺寸等系統因素，其成本優(yōu)勢已經(jīng)開(kāi)始顯現。更不用說(shuō)隨著(zhù)產(chǎn)量增加，還有進(jìn)一步的下降空間。
TI推出的集成驅動(dòng)器的GaN MOSFET產(chǎn)品，簡(jiǎn)化了GaN系統設計，并且沒(méi)有傳統GaN MOSFET的寄生二極管反向恢復問(wèn)題，因此可以實(shí)現2.2MHz的高工作頻率。
該器件同時(shí)內置了數字溫度的采樣功能，可以實(shí)時(shí)檢測溫度信息，實(shí)現及時(shí)的熱管理。此外，也集成常用的保護功能，包括過(guò)流、短路、過(guò)溫和欠壓等，保護電路的響應時(shí)間小于100ns，提高了系統的可靠性。
該器件采用了TI定制開(kāi)發(fā)了低寄生電感增強散熱型的貼片式封裝，實(shí)現了兩倍功率密度提升，并且磁性元器件尺寸可縮小59%。
隔離驅動(dòng)器
除了控制器和功率器件之外，隔離驅動(dòng)器是動(dòng)力系統中的三大要素之一。由于高電壓與電池電路之間存在著(zhù)巨大的電壓差，為了保持安全和信號完整性，必須在一次側和二次側之間進(jìn)行有效隔離。針對隔離技術(shù)，TI開(kāi)發(fā)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(dòng)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(shí)還集成了更多的診斷和保護功能，可以在200ns時(shí)間內進(jìn)行短路保護。
該系列可實(shí)現高達15A的峰值電流的驅動(dòng)能力，客戶(hù)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℃的寬溫范圍，同時(shí)全溫度下?lián)碛?plusmn;0.3℃的采樣精度，更準確地支持客戶(hù)各類(lèi)溫度補償設計，提高系統效率，減少冗余度。
該傳感器采用SPI總線(xiàn)接口，內置循環(huán)冗余校驗功能，可確保在高噪聲的電磁環(huán)境下可靠通信。
安全認證
安全是電動(dòng)汽車(chē)的基礎，尤其是針對動(dòng)力總成系統來(lái)說(shuō)，優(yōu)秀的安全性是確保汽車(chē)可以正常行駛的最關(guān)鍵部件。失效率（FIT）是衡量汽車(chē)安全性關(guān)鍵指標，比如ASIL-D標準要求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)內出現1次失效(或故障)的情況。產(chǎn)品在使用1億小時(shí)之內,發(fā)生了1次失效,那我們就稱(chēng)這個(gè)產(chǎn)品在該時(shí)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(guò)高集成度提高安全性之外，據周東寶介紹，TI正在通過(guò)兩種途徑幫助客戶(hù)簡(jiǎn)化功能安全系統設計的開(kāi)發(fā)和認證。首先是提供符合功能安全標準的產(chǎn)品。比如UCC5870，是按照TI經(jīng)過(guò)TÜV SÜD認證的功能安全產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程所開(kāi)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、FIT值等。對于大多數常用的一些信號鏈的產(chǎn)品，如簡(jiǎn)單的電源和信號鏈產(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(hù)進(jìn)行功能安全的設計。
其次，為了加速客戶(hù)開(kāi)發(fā)時(shí)間，TI同TÜV SÜD合作，開(kāi)發(fā)了可以達到ASIL D的集成牽引驅動(dòng)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系列MCU以及UCC5870隔離驅動(dòng)器，它可以實(shí)現高達2萬(wàn)轉每分鐘的轉速，以及2 MHz的開(kāi)關(guān)頻率。
總結
“作為T(mén)I來(lái)說(shuō)，正在越來(lái)越多地跟整車(chē)廠(chǎng)、Tier 1直接合作，提供一些系統解決方案，而不是說(shuō)單純地作為一個(gè)芯片廠(chǎng)商來(lái)提供器件，以滿(mǎn)足他們的需求。”曹偉杰說(shuō)道。
對此，韓永杰也表示，未來(lái)動(dòng)力總成系統將會(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(guò)去這幾年中，我們跟TI在產(chǎn)品的持續創(chuàng )新、前瞻高性能產(chǎn)品以及專(zhuān)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，與電機驅動(dòng)及動(dòng)力域控制器結合，從而構成完整的動(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(guò)高集成度的創(chuàng )新型產(chǎn)品和架構，TI正在為電動(dòng)汽車(chē)客戶(hù)實(shí)現系統的高可靠性及更低的成本，增加電動(dòng)汽車(chē)的效率和續航里程，同時(shí)幫助電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)不斷縮小與傳統燃油車(chē)之間的成本差距。
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