電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成尺寸和成本減半？不是沒(méi)可能！

在電動(dòng)汽車(chē)中，更高電壓可將相同電流轉(zhuǎn)換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)緊湊的空間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的DTC（面向成本的設(shè)計(jì)）。半導(dǎo)體廠商所要做的就是將高效電力電子架構(gòu)所需的功能更多地集成到IC當(dāng)中。這是系統(tǒng)級(jí)集成式動(dòng)力總成解決方案的基礎(chǔ)。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，提高效率、可靠性和延長(zhǎng)行駛里程，同時(shí)降低動(dòng)力總成系統(tǒng)昂貴的成本，無(wú)疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。如果能將電池、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器（OBC）和牽引逆變器封裝在一個(gè)外殼中，成為一個(gè)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成集成就可以解決很多問(wèn)題。

隨著模擬和嵌入式處理技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員可以用單個(gè)域控制器和功率級(jí)來(lái)組合這些系統(tǒng)，提高效率和可靠性，同時(shí)降低成本并符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

電動(dòng)汽車(chē)時(shí)代已經(jīng)開(kāi)啟

電動(dòng)汽車(chē)時(shí)代的趨勢(shì)已然形成。到2035年，通用汽車(chē)將淘汰汽油和柴油汽車(chē)；福特汽車(chē)將在2030年前在歐洲實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)；英國(guó)提前到2030年淘汰柴油和汽油車(chē)；UPS和亞馬遜等車(chē)隊(duì)將訂購(gòu)數(shù)千輛零排放電動(dòng)卡車(chē)……

對(duì)消費(fèi)者和汽車(chē)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，下一個(gè)十年將是自“肌肉車(chē)”時(shí)代以來(lái)最令人興奮的選車(chē)時(shí)刻。彭博新能源財(cái)經(jīng)稱(chēng)，到2026年，美國(guó)將展出大約130種不同型號(hào)的零排放汽車(chē)，而目前大約有15種。

圖：各種電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量走勢(shì)

這輛車(chē)最需要高效率

在電動(dòng)汽車(chē)中，各種傳感器、高級(jí)娛樂(lè)系統(tǒng)等電子設(shè)備已陸續(xù)搭載，而車(chē)輛耗電量對(duì)續(xù)航里程有直接影響，沒(méi)有高效率的動(dòng)力總成就難以為繼。另外，目前電動(dòng)汽車(chē)成本比內(nèi)燃機(jī)車(chē)高40%左右。統(tǒng)計(jì)表明，有購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)意向的消費(fèi)者美國(guó)為30%，歐洲60%，中國(guó)70%。成本和行駛里程仍是阻礙電動(dòng)汽車(chē)普及的主要因素。

從哪里入手解決上述問(wèn)題呢？起初，人們以為電池成本是電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格居高不下的唯一原因，但自2010年以來(lái)，電池價(jià)格已下降了89%，未來(lái)還可能繼續(xù)下降。商業(yè)模式研究表明，其他選項(xiàng)也是降低成本并使主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)盈利的重要因素。更緊密、功率組件更少、盒子更少的動(dòng)力總成集成將是加權(quán)選項(xiàng)。

在電動(dòng)汽車(chē)中，制動(dòng)器、動(dòng)力系統(tǒng)和其他關(guān)鍵系統(tǒng)都依靠電池供電，借助先進(jìn)處理器和軟件可以從功率源頭——?jiǎng)恿偝商嵘省?

此外，隨著消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)接受程度的提高，還要滿(mǎn)足他們對(duì)更好性能、更長(zhǎng)行駛里程、節(jié)能和緊湊型系統(tǒng)的需求，同時(shí)也可以解決主機(jī)廠當(dāng)前盈利能力不足的問(wèn)題。

從面向成本的設(shè)計(jì)出發(fā)

受消費(fèi)者歡迎的電動(dòng)汽車(chē)的共同之處在于，采用全新的動(dòng)力總成平臺(tái)設(shè)計(jì)，優(yōu)化電池堆疊和封裝，有更高的電壓和更大的馬力，以實(shí)現(xiàn)高續(xù)航里程。

現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)的電池電壓通常為400V，但要獲得更大馬力，則需要將電池電壓提高至800V，尤其是在高端電動(dòng)汽車(chē)中。更高電壓可將相同電流轉(zhuǎn)換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)緊湊的空間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的DTC（面向成本的設(shè)計(jì)）。此外，在同樣功率下，更高電壓可提高效率，因?yàn)椴挥檬褂么箅娏鳎山档蜔岷纳?。直徑更小的電纜和更低的重量又降低了DTC。

對(duì)DTC產(chǎn)生積極影響的還包括功率性能的改進(jìn)，也就是增強(qiáng)了功率密度。動(dòng)力總成系統(tǒng)的功效和大小決定電動(dòng)汽車(chē)的性能，功效與體積的比率是電源管理領(lǐng)域的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高水平的功率密度。電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)正在通過(guò)集成將功率密度目標(biāo)擴(kuò)展到動(dòng)力總成系統(tǒng)，在更緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率。

在電動(dòng)汽車(chē)中，緊湊空間意味著更小的印刷電路板和外殼材料。包括車(chē)載充電器（OBC）、DC-DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器在內(nèi)的動(dòng)力總成子系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)、集成IC解決方案和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)電源都會(huì)發(fā)生重大變化。

半導(dǎo)體廠商所要做的就是將高效電力電子架構(gòu)所需的功能更多地集成到IC當(dāng)中。這是系統(tǒng)級(jí)集成式動(dòng)力總成解決方案的基礎(chǔ)。

三措并舉，實(shí)現(xiàn)尺寸和成本減半

低電動(dòng)汽車(chē)成本，改善消費(fèi)體驗(yàn)才能提高其普及率，而全面實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成系統(tǒng)集成，可以在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和功能安全認(rèn)證，增強(qiáng)可靠性的同時(shí)降低成本；提高系統(tǒng)效率，延長(zhǎng)行駛里程。

先定幾個(gè)小目標(biāo)：

• 用更少的器件、更小的解決方案尺寸和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)；

• 實(shí)現(xiàn)業(yè)界超高功率密度和98%的系統(tǒng)效率；

• 通過(guò)優(yōu)化熱性能提高系統(tǒng)可靠性；

• 簡(jiǎn)化ASIL D級(jí)合規(guī)性認(rèn)證。

一是使用單個(gè)動(dòng)力總成域控制器、功率級(jí)和機(jī)械外殼，或設(shè)計(jì)分布式電源架構(gòu)；

二是集成傳統(tǒng)動(dòng)力總成系統(tǒng)，包括逆變器、配電單元（PDU）、高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器和電源管理系統(tǒng)（BMS）；

三是在機(jī)械、控制或動(dòng)力總成層面進(jìn)行集成。

三措并舉，就有可能在動(dòng)力總成系統(tǒng)尺寸減小50%的同時(shí)將成本減半。

具體來(lái)看，根據(jù)集成模塊數(shù)量的不同，可以分為二合一方案、三合一方案、五合一方案等幾種不同組合。根據(jù)集成難易程度，又可將動(dòng)力總成集成分為基礎(chǔ)機(jī)械層面集成（物理集成），以及更復(fù)雜的控制邏輯和功率層級(jí)的集成。

例如，電機(jī)控制器、車(chē)載充電器和DC-DC的三合一解決方案可以大幅度優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)共享控制電路降低整個(gè)驅(qū)動(dòng)部分的成本、重量和體積。

用什么來(lái)優(yōu)化？

TI（德州儀器）的一系列動(dòng)力總成解決方案可以幫助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)從分布式電源架構(gòu)到單個(gè)動(dòng)力域控制器方案的轉(zhuǎn)變。

如TI中國(guó)區(qū)汽車(chē)業(yè)務(wù)部現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶所說(shuō)：“每千克重量都是效率的重要組成部分，如果可以減輕汽車(chē)重量，就可以提高整體效率，增加一次充電可以行駛的里程?！?

因此，實(shí)現(xiàn)更高效率和更高功率密度的方法之一是將動(dòng)力總成系統(tǒng)集成到一個(gè)緊湊的機(jī)械外殼中，這不僅使設(shè)計(jì)和組裝更簡(jiǎn)單，還減少了對(duì)多余包裝材料的需求，消除了冗余硬件，從而大大減輕了系統(tǒng)重量并減小了體積。除此之外，還有很多優(yōu)化措施。