集成化方案：电动汽车动力总成尺寸和成本或可减半

在电动汽车中,更高电压可将相同电流转换为更大的马力。电池堆叠和封装的优化可实现紧凑的空间,同时实现更低的DTC(面向成本的设计)。半导体厂商所要做的就是将高效电力电子架构所需的功能更多地集成到IC当中。这是系统级集成式动力总成解决方案的基础。

文︱立厷

图︱网络

对于电动汽车设计工程师来说,提高效率、可靠性和延长行驶里程,同时降低动力总成系统昂贵的成本,无疑是一个巨大的挑战。如果能将电池、DC-DC转换器、车载充电器(OBC)和牵引逆变器封装在一个外壳中,成为一个电动汽车动力总成集成就可以解决很多问题。

随着模拟和嵌入式处理技术的进步,现在设计人员可以用单个域控制器和功率级来组合这些系统,提高效率和可靠性,同时降低成本并符合功能安全标准。

电动汽车时代已经开启

电动汽车时代的趋势已然形成。到2035年,通用汽车将淘汰汽油和柴油汽车;福特汽车将在2030年前在欧洲实现全电动;英国提前到2030年淘汰柴油和汽油车;UPS和亚马逊等车队将订购数千辆零排放电动卡车……

对消费者和汽车爱好者来说,下一个十年将是自“肌肉车”时代以来最令人兴奋的选车时刻。彭博新能源财经称,到2026年,美国将展出大约130种不同型号的零排放汽车,而目前大约有15种。

图:各种电动汽车产量走势

这辆车最需要高效率

在电动汽车中,各种传感器、高级娱乐系统等电子设备已陆续搭载,而车辆耗电量对续航里程有直接影响,没有高效率的动力总成就难以为继。另外,目前电动汽车成本比内燃机车高40%左右。统计表明,有购买电动汽车意向的消费者美国为30%,欧洲60%,中国70%。成本和行驶里程仍是阻碍电动汽车普及的主要因素。

从哪里入手解决上述问题呢?起初,人们以为电池成本是电动汽车价格居高不下的唯一原因,但自2010年以来,电池价格已下降了89%,未来还可能继续下降。商业模式研究表明,其他选项也是降低成本并使主机厂实现盈利的重要因素。更紧密、功率组件更少、盒子更少的动力总成集成将是加权选项。

在电动汽车中,制动器、动力系统和其他关键系统都依靠电池供电,借助先进处理器和软件可以从功率源头——动力总成提升效率。

此外,随着消费者对电动汽车接受程度的提高,还要满足他们对更好性能、更长行驶里程、节能和紧凑型系统的需求,同时也可以解决主机厂当前盈利能力不足的问题。

从面向成本的设计出发

受消费者欢迎的电动汽车的共同之处在于,采用全新的动力总成平台设计,优化电池堆叠和封装,有更高的电压和更大的马力,以实现高续航里程。

现代电动汽车的电池电压通常为400V,但要获得更大马力,则需要将电池电压提高至800V,尤其是在高端电动汽车中。更高电压可将相同电流转换为更大的马力。电池堆叠和封装的优化可实现紧凑的空间,同时实现更低的DTC(面向成本的设计)。此外,在同样功率下,更高电压可提高效率,因为不用使用大电流,可降低热耗散。直径更小的电缆和更低的重量又降低了DTC。

对DTC产生积极影响的还包括功率性能的改进,也就是增强了功率密度。动力总成系统的功效和大小决定电动汽车的性能,功效与体积的比率是电源管理领域的关键品质因数,目标是实现更高水平的功率密度。电动汽车行业正在通过集成将功率密度目标扩展到动力总成系统,在更紧凑的空间内实现更高的效率。

在电动汽车中,紧凑空间意味着更小的印刷电路板和外壳材料。包括车载充电器(OBC)、DC-DC转换器和牵引逆变器在内的动力总成子系统拓扑架构、集成IC解决方案和半导体开关电源都会发生重大变化。

图:电动汽车动力总成系统框图

半导体厂商所要做的就是将高效电力电子架构所需的功能更多地集成到IC当中。这是系统级集成式动力总成解决方案的基础。

三措并举,实现尺寸和成本减半

降低电动汽车成本,改善消费体验才能提高其普及率,而全面实现动力总成系统集成,可以在简化设计和功能安全认证,增强可靠性的同时降低成本;提高系统效率,延长行驶里程。

先定几个小目标:

用更少的器件、更小的解决方案尺寸和更简单的设计;

实现业界超高功率密度和98%的系统效率;

通过优化热性能提高系统可靠性;

简化ASIL D级合规性认证。

全面的动力总成集成是怎样实现的呢?

一是使用单个动力总成域控制器、功率级和机械外壳,或设计分布式电源架构;

二是集成传统动力总成系统,包括逆变器、配电单元(PDU)、高压DC-DC转换器、车载充电器和电源管理系统(BMS);

三是在机械、控制或动力总成层面进行集成。

三措并举,就有可能在动力总成系统尺寸减小50%的同时将成本减半。

具体来看,根据集成模块数量的不同,可以分为二合一方案、三合一方案、五合一方案等几种不同组合。根据集成难易程度,又可将动力总成集成分为基础机械层面集成(物理集成),以及更复杂的控制逻辑和功率层级的集成。

图:全方位动力总成集成

例如,电机控制器、车载充电器和DC-DC的三合一解决方案可以大幅度优化系统架构,通过共享控制电路降低整个驱动部分的成本、重量和体积。

用什么来优化?

TI(德州仪器)的一系列动力总成解决方案可以帮助客户实现从分布式电源架构到单个动力域控制器方案的转变。

如TI中国区汽车业务部现场技术应用经理周东宝所说:“每千克重量都是效率的重要组成部分,如果可以减轻汽车重量,就可以提高整体效率,增加一次充电可以行驶的里程。”

因此,实现更高效率和更高功率密度的方法之一是将动力总成系统集成到一个紧凑的机械外壳中,这不仅使设计和组装更简单,还减少了对多余包装材料的需求,消除了冗余硬件,从而大大减轻了系统重量并减小了体积。除此之外,还有很多优化措施。