韓永杰也表示,目前威邁斯推出了OBC和DC/DC集成的產(chǎn)品,性能顯著提升的同時(shí),實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)了最高等級(jí)的集成。
威邁斯充電系統(tǒng)集成化產(chǎn)品
周東寶詳細(xì)列舉了集成動(dòng)力總成的四大優(yōu)勢(shì),分別為:
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(tǒng),減少連接器的數(shù)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積、重量和成本,同時(shí)提高電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度;
更好地實(shí)現(xiàn)輕量化,有助于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程;
通過(guò)整體上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱性能的優(yōu)化,保證系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)我們注意到功能安全是現(xiàn)在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里面非常重要的一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo),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(tǒng)的開(kāi)發(fā)和認(rèn)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(shì)看似很大,但實(shí)際上還需要顯著克服諸多挑戰(zhàn),包括控制器性能,控制器算法,磁集成的設(shè)計(jì),冷卻系統(tǒng)等多方面因素。
德州儀器正在結(jié)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(rèn)證等服務(wù)上的努力,幫助客戶(hù)簡(jiǎn)化動(dòng)力總成設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。
微控制器
如之前所述,方法4的控制算法最為復(fù)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(dá)925MIPS的處理能力,結(jié)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(fù)雜的電源拓?fù)?,以及更高階的控制算法,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)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(nèi)置的ADC、DAC以及比較器等模塊。通過(guò)這些模塊可以實(shí)現(xiàn)低至30ns以?xún)?nèi)的響應(yīng)時(shí)間,響應(yīng)一些診斷保護(hù)和故障等。由于是純硬件控制響應(yīng),因此不需要CPU模塊的參與,可進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的可靠性。
除了模擬集成,C2000實(shí)時(shí)MCU也集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元和三角函數(shù)加速器等硬件加速單元,可以顯著地減少?gòu)?fù)雜計(jì)算所需要的周期數(shù)。計(jì)算時(shí)間的減少意味著在不提高開(kāi)關(guān)頻率的前提下提高整個(gè)環(huán)路的效率,可以顯著地減少磁性元器件的尺寸,提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和功率密度。
韓永杰也特別強(qiáng)調(diào)了C2000實(shí)時(shí)微控制器在系統(tǒng)中“扮演著重要的角色”。
第三代半導(dǎo)體
第三代半導(dǎo)體(SiC/GaN等)由于其材料特性,支持高頻和高壓工作,并且結(jié)溫更高,因此非常適合對(duì)于功率密度及熱管理要求苛刻的動(dòng)力系統(tǒng)中。盡管如今第三代半導(dǎo)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(tǒng)因素,其成本優(yōu)勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。更不用說(shuō)隨著產(chǎn)量增加,還有進(jìn)一步的下降空間。
TI推出的集成驅(qū)動(dòng)器的GaN MOSFET產(chǎn)品,簡(jiǎn)化了GaN系統(tǒng)設(shè)計(jì),并且沒(méi)有傳統(tǒng)GaN MOSFET的寄生二極管反向恢復(fù)問(wèn)題,因此可以實(shí)現(xiàn)2.2MHz的高工作頻率。
該器件同時(shí)內(nèi)置了數(shù)字溫度的采樣功能,可以實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度信息,實(shí)現(xiàn)及時(shí)的熱管理。此外,也集成常用的保護(hù)功能,包括過(guò)流、短路、過(guò)溫和欠壓等,保護(hù)電路的響應(yīng)時(shí)間小于100ns,提高了系統(tǒng)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(qiáng)散熱型的貼片式封裝,實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)器
除了控制器和功率器件之外,隔離驅(qū)動(dòng)器是動(dòng)力系統(tǒng)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(hào)完整性,必須在一次側(cè)和二次側(cè)之間進(jìn)行有效隔離。針對(duì)隔離技術(shù),TI開(kāi)發(fā)的電容式隔離可以兼顧高數(shù)據(jù)傳輸率和高抗噪能力。
TI最新的驅(qū)動(dòng)器UCC5870-Q1,集成的高級(jí)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(hù)功能,可以在200ns時(shí)間內(nèi)進(jìn)行短路保護(hù)。
該系列可實(shí)現(xiàn)高達(dá)15A的峰值電流的驅(qū)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
為了確保動(dòng)力總成系統(tǒng)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(dá)-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(zhǔn)確地支持客戶(hù)各類(lèi)溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)效率,減少冗余度。
該傳感器采用SPI總線(xiàn)接口,內(nèi)置循環(huán)冗余校驗(yàn)功能,可確保在高噪聲的電磁環(huán)境下可靠通信。
安全認(rèn)證
安全是電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ),尤其是針對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)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(biāo),比如ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)出現(xiàn)1次失效(或故障)的情況。產(chǎn)品在使用1億小時(shí)之內(nèi),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(nèi)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(zhuǎn)換器中。
除了通過(guò)高集成度提高安全性之外,據(jù)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(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)和認(rèn)證。首先是提供符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。比如UCC5870,是按照TI經(jīng)過(guò)TÜV SÜD認(rèn)證的功能安全產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程所開(kāi)發(fā)的。可以提供非常完整的功能安全相關(guān)的文檔,比如FMEDA、功能安全手冊(cè)、FIT值等。對(duì)于大多數(shù)常用的一些信號(hào)鏈的產(chǎn)品,如簡(jiǎn)單的電源和信號(hào)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(shè)計(jì)。
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(dá)到ASIL D的集成牽引驅(qū)動(dòng)器和DC/DC直流變換器的升級(jí)參考(TIDM-02009),該參考設(shè)計(jì)使用了TI最新的C2000系列MCU以及UCC5870隔離驅(qū)動(dòng)器,它可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)2萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速,以及2 MHz的開(kāi)關(guān)頻率。
總結(jié)
“作為T(mén)I來(lái)說(shuō),正在越來(lái)越多地跟整車(chē)廠、Tier 1直接合作,提供一些系統(tǒng)解決方案,而不是說(shuō)單純地作為一個(gè)芯片廠商來(lái)提供器件,以滿(mǎn)足他們的需求。”曹偉杰說(shuō)道。
對(duì)此,韓永杰也表示,未來(lái)動(dòng)力總成系統(tǒng)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(xù)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(jī)驅(qū)動(dòng)及動(dòng)力域控制器結(jié)合,從而構(gòu)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(gòu),TI正在為電動(dòng)汽車(chē)客戶(hù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性及更低的成本,增加電動(dòng)汽車(chē)的效率和續(xù)航里程,同時(shí)幫助電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)不斷縮小與傳統(tǒng)燃油車(chē)之間的成本差距。