电动汽车系统成本、尺寸减半？TI集成动力总成解决方案做到了
随着电动汽车相关技术快速发展，以及各国政府在政策方面的持续推进，越来越多的汽车消费者购买意向开始转向电动汽车，尤其是在中国。相关数据显示，从2015年-2020年期间，新能源汽车的整体销量节节攀升，中国市场电动汽车的销量在2020年达到了历史新高（136万辆），这已是我国新能源汽车产销量连续6年蝉联世界第一。随着5月26日北京摇号新政实施后的首期新能源小客车指标配置结果公布，势必会激发新一轮的购车热。
然而不可否认，消费者对于购买电动车的顾虑依然存在，其中最突出的就是里程焦虑和价格问题，从而阻碍了新能源汽车的进一步普及。据悉，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。有资料显示，从制造成本来看，对于一辆燃油车，发动机+变速箱的成本大约占整车总成本的1/5；而同一车型的电动汽车，三电系统（电池、电机、电控）占据了整车成本的一半，这一半中近80%的比重由动力电池占据。即便是加上各种补贴，如今同款电动汽车价格也比油车要高出5-10万。
在电池技术不断进步的同时，其他领域也在寻找突破进一步降低成本，动力系统是关键。近期，德州仪器（TI）发布了动力总成集成化解决方案，可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。
集成动力总成将尺寸、成本均减半
“TI的产品和技术支持可以帮助客户全面实现动力总成系统方案的集成。我们预计集成化的方案可以帮助整个系统的尺寸和成本都降低一半。” 德州仪器中国区汽车业务部现场技术应用经理周东宝表示。
如何实现减半的呢？周东宝指出有四个方面：
·电驱动系统多合一的集成化的解决方案通过共享外壳的耦合以及冷却系统，减少了连接器的数量；
·通过更进一步的共享控制电路以及共享功率电路等方式，有效地降低电驱动系统的体积、重量和成本，同时提高电驱动系统的功率密度；
·更好地实现轻量化，有助于延长电动汽车的续航里程；
·通过整体上对系统进行热性能的优化，保证系统的可靠性。
同时，TI注意到功能安全是电驱动系统中的一个非常重要的设计指标，TI集成化的解决方案也有助于简化功能安全系统的开发和认证工作。
传统动力传动系统包括电机控制器、高压配电单元、DC/DC、车载充电器、电源管理系统（BMS）等。根据不同的集成模块数量，可分为二合一的方案、三合一的方案、五合一的方案。根据集成的难易程度，又可以分为基础的机械层面的集成（物理集成），以及更复杂的控制逻辑和功率层级方面的集成。“通过使用TI的解决方案，客户可以实现从分布式的电源架构到单个动力域的控制器方案的转变。整个系统的复杂程度会随着整合级别的增加而提高，对客户的收益也会越来越高，但同时挑战也会越来越多。” 周东宝说道，“针对设计上的挑战，TI会协助客户一起解决。”
TI提供的是电机控制器、车载充电器和DC/DC的三合一的解决方案，大幅度优化整个系统的架构，通过共享部分的控制电路降低整个驱动成本的重量和体积。
98%的效率和超高的功率密度
作为一家历史悠久的全球领先的半导体公司，TI拥有丰富的产品多元的产品组合。周东宝以TI的几款明星产品：C2000微控制器、最新的GaN FET、隔离驱动器UCC5870、温度传感器TMP126的组合为例，介绍了TI动力总成解决方案的竞争优势。
微控制器C2000系列可以提供高达925MIPS的处理能力，同时结合可灵活配置的高精度PWM模块，可以非常轻松地适配各种复杂的电源拓扑，以及更高阶的控制算法，从而实现整个系统更高的效率。
TI最新的集成驱动器的GaN FET能以高达2.2MHz的开关频率工作，同时保持非常低的开关损耗。另外，结合TI定制开发的低寄生电感的增强散热型的切片式封装，可以实现两倍的功率密度的提升，同时将磁性元器件减小59%。
隔离驱动器UCC5870系列可以提供高达15A的峰值电流驱动能力，无需外加功率放大电路，也能够保证整个开关管可以进行非常高效的开通和关断，从而达到更高的效率。
温度传感器TMP126可以在150°C的环境温度下工作，采样精度高达±0.3°C。更高的温度传感器精度，可以帮助客户在设计整个系统时留有更小的设计余量。同时，系统动态温度补偿时精度可以更高，有助于最大化地提高系统效率。
系统级可靠性
电动汽车的可靠性是设计中非常重要的一个方面，通过TI动力总成解决方案还可以带来可靠性和性能的提高。
C2000系列微控制器内置丰富的模拟功能模块，如DC、DAC以及比较器等，可以实现低至30ns以内的响应时间，响应诊断保护和故障等。由于完全是纯硬件的控制，不需要CPU模块的参与，因此可更进一步地提高系统的可靠性。
GaN FET器件内置的数字温度的采样功能可以提供实时的温度信息，从而可以更灵活地实现动态系统的热管理。TI将常用的过流、短路、过温和欠压等保护功能集成到GaN开关管里，无需外加分立电路。同时内置的短路和过流保护的电路可以在低至100ns的时间内响应，从而也提高了系统的可靠性。
隔离驱动器UCC5870系列可以在200ns的时间内进行短路保护，同时实现了业界领先的共模抑制比（CMTI）（＞150V/ns），意味着芯片可以在更恶劣的噪声环境下保持可靠通讯，保证可以正确地驱动开关管进行相应的动作，从而达到更高的系统级可靠性。
温度传感器TMP126可以在全温度范围下（-40到+175°C）保持非常高的精度。相比分立器件，温飘几乎可以忽略不计。同时，数字接口内置的循环冗余校验功能也能确保在高噪声的电磁环境下能够进行可靠通讯。
系统成本和尺寸减半
C2000具有高即时指令集，可以显著地减少复杂计算所需要的周期数。再结合氮化镓和碳化硅器件的高开关频率和低开关损耗的特征，可以显著地减少磁性元器件的尺寸，提高整个系统的效率，从而也提高了整个系统的功率密度。
据周东宝介绍，利用氮化镓器件相比于现有的硅和基于碳化硅的MOSET方案，预计可以使车载充电器和DC/DC的尺寸减少到50%。
隔离驱动器UCC5870系列由于峰值电流能力高达15A，可以满足大多数MOSET和IGBT驱动的需求。同时内置六通道的隔离采样ADC，可以用于温度、电压的采集，减少额外分立的隔离ADC的成本。UCC5870芯片内置超过50多种功能安全相关的机制，在功能安全相关的应用中，可以显著地减少BOM的成本。
高精度的温度传感器TMP126可以通过优化整个散热系统的设计，能够帮助客户更进一步地降低成本。
以上组合是TI动力总成众多解决方案之一，TI官网上可以找到丰富的参考设计资源，而这些参考设计并非只是把各个芯片简单地组合到一起。“我们在做这些参考设计的时候考虑到了系统整体的性能要求，我们会把整体的EMI性能考虑进去，包括怎么选拓扑、怎么选控制策略，整套方案都会考虑在内，如此才会使整体产品的性能满足要求。” 德州仪器EV/HEV SEM团队成员TÜV SÜD认证功能安全工程师曹伟杰介绍道。
简化安全认证
据周东宝介绍，TI正在通过两种途径帮助客户简化功能安全系统设计的开发和认证：
一是提供符合功能安全标准的产品。如隔离驱动器UCC5870，是按照TI经过TÜV SÜD认证的功能安全产品开发流程所开发出的产品，可以提供完整的功能安全相关的文档，如FMEDA、功能安全手册、FIT值等。对于大多数常用的信号链产品，如简单的电源和信号链产品，TI可以提供整个器件功能安全的FIT值以及失效模式的分布等技术文档，帮助客户进行功能安全的设计。
第二，为了加速客户开发时间，TI与TÜV SÜD合作，开发了可以达到ASIL D功能等级的集成牵引驱动器和DC/DC直流变换器的升级参考设计TIDM-02009，该设计使用了TI最新的C2000系列MCU以及UCC5870隔离驱动器，可以实现高达20 000rpm的转速，以及2 MHz的开关频率。
整个动力系统都将走向集成
随着众多厂商入局汽车，半导体厂商的工作方式也发生了变化。曹伟杰表示，TI现在越来越多地与整车厂、Tier 1直接合作，向其提供系统解决方案满足要求，而不是单纯地作为一个芯片厂商来提供器件。因此，TI更多的是从系统解决方案的角度入手，提供一整套解决方案，以满足需求。
深圳威迈斯新能源是一家Tier 1，目前客户有50多家，涵盖传统主机厂和造车新势力，同时与TI正在保持着深度合作。“在过去这几年，我们与TI在产品的持续创新、前瞻的高性能产品应用，以及专业的技术合作交流上取得了很大的成果。” 深圳威迈斯新能源股份有限公司副总裁兼上海子公司总经理韩永杰介绍道。
目前的集成方案主要是三部分：OBC、DC/DC和PDU，未来的趋势会是整个动力系统将趋向于集成。“从未来的发展来讲，实际上还要进一步地集成。威迈斯在这一块做了很多工作，我们在应用上也是与TI在进行深度的合作，尤其是在C2000和UCC5870驱动芯片产品上。” 韩永杰表示。
动力总成带来的成本、尺寸的减少不管是对整车厂还是对终端客户来说都是大有裨益的，这使得集成化的趋势成为必然，尽管目前市场上还没有看到BMS的集成，随着市场的发展以及技术的推动，未来的集成可能会包含BMS系统，电动汽车电源管理IC将走向高度集成化，与燃油车的成本差距也将会不断缩小。