【導讀】隨著汽車中電子系統越來越豐富，芯片使用量越來越多，隨之而來的是電子控制單元ECU數量的大幅增加。ECU的急劇增加，無論是管理、安全還是可擴展性都帶來了很大挑戰，為此汽車域架構模式開始應運而生。通過高性能的DCU（域控制處理器），整合公用系統組件，在軟件中分配和執行，可實現以足夠的資源快速響應完成客戶需求，具備平臺化、兼容性、集成高、性能高等優勢。
隨著汽車中電子系統越來越豐富，芯片使用量越來越多，隨之而來的是電子控制單元ECU數量的大幅增加。ECU的急劇增加，無論是管理、安全還是可擴展性都帶來了很大挑戰，為此汽車域架構模式開始應運而生。通過高性能的DCU（域控制處理器），整合公用系統組件，在軟件中分配和執行，可實現以足夠的資源快速響應完成客戶需求，具備平臺化、兼容性、集成高、性能高等優勢。
集成動力總成解決方案嶄露頭角
如今域控制概念已經得到了商用，但是由于各種原因，大部分集中在座艙、ADAS等領域。德州儀器日前聯合威邁斯，共同宣布集成動力總成解決方案，標志著在動力領域，域架構的概念正在開始流行。
德州儀器（TI）高壓功率，高功率驅動器市場經理Nagarajan Sridha表示，目前電動車平均價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，在其他領域，依然可以有降低成本的可能性。比如在動力系統中，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業務部現場技術應用經理周東寶表示，“TI的產品和技術支持可以幫助客戶全面實現動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系統的尺寸和成本都降低一半。”
動力系統包括了電機控制器、高壓配電單元、DC/DC、車載充電器、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。“通過使用TI的解決方案，客戶可以實現從分布式的電源架構到單個動力域的控制器的方案的轉變。整個系統的復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產品國內市占率最大的供應商，威邁斯一直同TI保持著緊密的合作關系。目前威邁斯正在從OBC和DC/DC業務向動力系統擴展，一方面是因為OBC、DC/DC及驅動器里面的電機控制器等產品比較接近。另外則是動力系統集成一定是未來的發展趨勢。目前，威邁斯的產品在可靠性、功率密度和體積方面的優勢，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上幾種動力系統解決方案，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：可分為兩個步驟：直流/直流轉換器和車載充電器共享機械外殼，但擁有各自獨立的冷卻系統。同時共享外殼和冷卻系統（最常選用的方法）。
方法3：進行控制級集成。這種方法正在演變為第4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和磁性元件，所以成本優勢更大，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集成的產品，性能顯著提升的同時，實現了成本的降低，減少產品的體積和重量。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，實現了最高等級的集成。
威邁斯充電系統集成化產品
周東寶詳細列舉了集成動力總成的四大優勢，分別為：
電驅動系統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，減少連接器的數量；
通過更進一步的共享控制電路以及共享功率電路等，有效地降低電驅動系統的體積、重量和成本，同時提高電驅動系統的功率密度；
更好地實現輕量化，有助于延長電動汽車的續航里程；
通過整體上對系統進行熱性能的優化，保證系統的可靠性。同時我們注意到功能安全是現在電驅動系統里面非常重要的一個設計指標，所以我們集成化的解決方案也有助于簡化功能安全系統的開發和認證工作。
集成動力總成都需要哪些要素
集成動力總成優勢看似很大，但實際上還需要顯著克服諸多挑戰，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載控制，功率等器件領域的積累，以及在安全認證等服務上的努力，幫助客戶簡化動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，因此首要任務就是選擇一款適合的微控制器。
C2000實時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，從而實現整個系統更高的效率。
周東寶介紹道，C2000實時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。通過這些模塊可以實現低至30ns以內的響應時間，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，可進一步地提高系統的可靠性。
除了模擬集成，C2000實時MCU也集成了浮點運算單元和三角函數加速器等硬件加速單元，可以顯著地減少復雜計算所需要的周期數。計算時間的減少意味著在不提高開關頻率的前提下提高整個環路的效率，可以顯著地減少磁性元器件的尺寸，提高整個系統的效率和功率密度。
韓永杰也特別強調了C2000實時微控制器在系統中“扮演著重要的角色”。
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力系統中。盡管如今第三代半導體產品售價相較MOSFET和IGBT更高，但是考慮到散熱、無源元件、尺寸等系統因素，其成本優勢已經開始顯現。更不用說隨著產量增加，還有進一步的下降空間。
TI推出的集成驅動器的GaN MOSFET產品，簡化了GaN系統設計，并且沒有傳統GaN MOSFET的寄生二極管反向恢復問題，因此可以實現2.2MHz的高工作頻率。
該器件同時內置了數字溫度的采樣功能，可以實時檢測溫度信息，實現及時的熱管理。此外，也集成常用的保護功能，包括過流、短路、過溫和欠壓等，保護電路的響應時間小于100ns，提高了系統的可靠性。
該器件采用了TI定制開發了低寄生電感增強散熱型的貼片式封裝，實現了兩倍功率密度提升，并且磁性元器件尺寸可縮小59%。
隔離驅動器
除了控制器和功率器件之外，隔離驅動器是動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行有效隔離。針對隔離技術，TI開發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功能，可以在200ns時間內進行短路保護。
該系列可實現高達15A的峰值電流的驅動能力，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，同時全溫度下擁有±0.3℃的采樣精度，更準確地支持客戶各類溫度補償設計，提高系統效率，減少冗余度。
該傳感器采用SPI總線接口，內置循環冗余校驗功能，可確保在高噪聲的電磁環境下可靠通信。
安全認證
安全是電動汽車的基礎，尤其是針對動力總成系統來說，優秀的安全性是確保汽車可以正常行駛的最關鍵部件。失效率（FIT）是衡量汽車安全性關鍵指標，比如ASIL-D標準要求FIT低于10。（FIT(失效率,failures in time)指的是1個(單位)的產品在1*10^9小時內出現1次失效(或故障)的情況。產品在使用1億小時之內,發生了1次失效,那我們就稱這個產品在該時間段內的失效率是1FIT。）
如今，ASIL-B或者ASIL-C等要求正在引入OBC和DC/DC轉換器中。
除了通過高集成度提高安全性之外，據周東寶介紹，TI正在通過兩種途徑幫助客戶簡化功能安全系統設計的開發和認證。首先是提供符合功能安全標準的產品。比如UCC5870，是按照TI經過TÜV SÜD認證的功能安全產品開發流程所開發的。可以提供非常完整的功能安全相關的文檔，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品，如簡單的電源和信號鏈產品，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文檔，幫助客戶進行功能安全的設計。
其次，為了加速客戶開發時間，TI同TÜV SÜD合作，開發了可以達到ASIL D的集成牽引驅動器和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隔離驅動器，它可以實現高達2萬轉每分鐘的轉速，以及2 MHz的開關頻率。
總結
“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，未來動力總成系統將會進一步集成，威邁斯正在同TI深度合作，尤其是C2000和UCC5870等產品上。“在過去這幾年中，我們跟TI在產品的持續創新、前瞻高性能產品以及專業的技術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，與電機驅動及動力域控制器結合，從而構成完整的動力域，這也是目前威邁斯和TI聯合深度合作的重點領域之一。
動力域高集成解決方案
通過高集成度的創新型產品和架構，TI正在為電動汽車客戶實現系統的高可靠性及更低的成本，增加電動汽車的效率和續航里程，同時幫助電動汽車市場不斷縮小與傳統燃油車之間的成本差距。
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