通过将动力总成系统集成到紧凑的机械外壳中,可实现更实用、更高效的电动汽车 (EVs)。

2021年5月19日
 

在我们努力改进电动汽车动力总成架构后,我们的客户可以将系统设计成本削减一半,同时有效提高功率密度、效率和可靠性,并让更多人都能买得起电动汽车。

如今,电动汽车的平均生产成本比传统内燃机汽车高出 12,000 美元。1 随着汽车制造商致力于满足全球排放法规,他们还必须弥补性价比差距,帮助消费者过渡到混合动力汽车或全电动汽车。

对于汽车设计工程师来说,这无疑是一个巨大的挑战,他们正在努力提高效率、可靠性和延长行驶里程,同时降低电动汽车昂贵器件(动力总成系统)的成本。电动汽车动力总成集成可能是一个解决方案。

一直以来,混合动力和电动汽车动力总成都是推动汽车行业进步的系统的结合体,将电池直流/直流转换器车载充电器牵引逆变器封装在不同的外壳中。目前,随着模拟和嵌入式处理技术的进步,设计人员可以使用单个域控制器和功率级来组合这些系统,从而帮助他们提高效率和可靠性,同时降低成本并符合功能安全标准。

“这就要求我们满足基本的技术和安全要求,同时使之更经济实用,实现大规模采用,从而在系统中获得更大收益,” 德州仪器 (TI)全球汽车动力总成系统工程团队负责人的 Karl-Heinz Steinmetz 说。

总部位于中国深圳的电动汽车组件供应商深圳威迈斯新能源股份有限公司 (VMAX) 正在亲身体验动力总成集成的优势。 

“要想设计出对于全中国消费者而言更加高效、可靠且经济实惠的电动汽车,动力总成集成是关键,”威迈斯 (VMAX) 副总裁 韩永杰 说。“德州仪器 (TI) 的技术和专业知识正在帮助我们达到客户对车载充电器、直流/直流转换器和牵引逆变器系统所需的集成水平。”

以更高的效率和更高的功率密度实现更长的行驶时间

将动力总成系统集成到一个紧凑的机械外壳中不仅会使设计和组装更简单,还减少了对多余包装材料的需求,并消除了冗余硬件,从而大大减轻了系统重量并减小了体积。

"每千克重量都是效率公式的重要组成部分,"Karl-Heinz说。"如果可以减轻汽车的重量,就可以提高整体效率,增加一次充电可以行驶的里程。"

可通过提高功率密度来提升效率的创新功能也很关键。通过将相关技术(例如符合汽车标准的氮化镓(GaN)技术)运用到电动汽车中,可以在更高的效率下工作并保留热能,从而帮助延长行驶里程。这意味着需要的冷却器件更少且成本更低。

"由 GaN 等材料制成的宽带隙开关与经过优化的高速栅极驱动器一起使用,将改变游戏规则,因为它们可以将磁性元件减小 60%,从而降低了总体重量和成本,"TI的 GaN 营销团队成员 Ramanan Natarajan 说。

要将集成式动力总成架构变为现实,还需要实时微控制器(MCUs),它们可以处理电源转换的复杂需求。TI具有超低延迟的 C2000™MCU有助于实现更高的开关频率(最多提高 1 到 2 MHz),这意味着电感器和电容器等外部元件更小。

"通过实时感应和更高的控制环路开关频率,我们可以将牵引电机驱动到20K RPM,"TI的 C2000™ MCU汽车经理 Na Kong 说。"这使汽车工程师能够制造出比之前只能达到 10K RPM 的设计小三分之一以上且性能更高的电机。"

借助包含单个实时 MCU 的集成式动力总成架构,该系统可以有效地处理分布式系统中多个MCU 的工作。在高度集成的设计中,实时 MCU 可以执行数字电源和电机控制,从而提高效率,同时节省宝贵的空间。

"当汽车制造商转向集成架构时,需要决定是否整合系统中的资源和芯片,"Karl-Heinz说。

提高可靠性并符合功能安全标准

在电动汽车(例如传统汽车)中,系统可靠性至关重要。集成式动力总成架构更可靠,仅仅是因为出现故障的零件更少。除了集成系统的固有优势之外,要确保在电动汽车高压电池环境中的可靠性,还需要强大的保护功能和峰值热性能。

借助针对严苛汽车环境设计和测试的隔离式栅极驱动器和调制器,隔离技术可帮助应对这些挑战。集成式诊断功能也是安全方程式的重要组成部分,可帮助动力总成系统符合 ASIL D 要求,这是道路机动车辆功能安全的最高级别要求,也是电动汽车制造商面临的一个主要难题。

"我们知道功能安全对于整体设计至关重要,因此我们非常重视这些考虑事项。我们的参考设计着重关注安全性,该设计已经过 TÜV SÜD 单独评估,可帮助我们的客户通过出色的成本控制自定义其系统的设计,"Karl-Heinz 说。

通过动力总成集成支持电动汽车市场的加速增长

电动汽车市场正在快速增长。到 2025 年,电动汽车的数量预计将从现在的 560 万辆增长到占全球汽车销量的 30%。2动力总成集成将在电动汽车市场增长中发挥关键作用。已证明集成式动力总成系统的功率密度提高了 40% 至 50%,体积和重量大大减少,可靠性提高。

"这将对电动汽车的性能和每次充电的行驶里程产生重大影响,最终使这些汽车更加经济实惠,"Karl-Heinz 说。

我们热衷于让世界更美好

帮助客户设计集成式动力总成系统是 TI 革新者致力于通过半导体技术降低电子产品成本、让世界更美好的明证。每一代创新都建立在上一代创新的基础之上,使技术变得更小巧、更高效、更可靠、更实惠,开拓新市场可实现半导体在电子产品领域的广泛应用。在 TI,这就是工程的进步。这正是我们数十年来以至现在一直在做的事。

 

1 https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/making-electric-vehicles-profitable
2 https://www.jpmorgan.com/insights/research/electric-vehicles