新能源汽車銷售火熱的背后，成本還可以降低多少？

根據(jù)乘聯(lián)會(huì)的數(shù)據(jù)，今年1到4月份，新能源汽車產(chǎn)銷雙雙超過(guò)70萬(wàn)輛，分別達(dá)到了75萬(wàn)輛和73.2萬(wàn)輛，已經(jīng)連續(xù)10個(gè)月刷新了當(dāng)月銷售記錄。全國(guó)乘用車市場(chǎng)信息聯(lián)席會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)崔東樹(shù)更是預(yù)測(cè)今年新能源乘用車銷量突破220萬(wàn)輛，整個(gè)新能源汽車市場(chǎng)或達(dá)250萬(wàn)輛規(guī)模。

盡管銷售火熱，但其實(shí)很多消費(fèi)者對(duì)于購(gòu)買電動(dòng)汽車仍然還有很多的顧慮，比如電池的安全性、充電的便捷程度、續(xù)航里程，以及比燃油車更高的成本等等。這些問(wèn)題或多或少地阻礙了新能源汽車的進(jìn)一步普及。

據(jù)麥肯錫的一份報(bào)告顯示，電動(dòng)汽車的平均生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)燃油車高出12000美元。要縮小這個(gè)成本差距，同時(shí)提高效率、可靠性和延長(zhǎng)續(xù)航里程，對(duì)汽車設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。不過(guò)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成集成解決方案或許是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

動(dòng)力總成集成方案可將系統(tǒng)尺寸和成本均降低50%

最開(kāi)始，人們認(rèn)為電動(dòng)汽車于燃油汽車之間價(jià)格差異是由電池造成的，的確，電池的成本在電動(dòng)汽車內(nèi)占有很大的比重，不過(guò)隨著技術(shù)的進(jìn)步和電池廠商的努力，電池成本未來(lái)有望大幅降低。但其實(shí)除了電池之外，動(dòng)力總成，即電力電子組件也是造成電動(dòng)汽車與燃油車之間成本差距的原因之一。

圖：德州儀器中國(guó)區(qū)汽車業(yè)務(wù)部現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶。

在電動(dòng)汽車的傳統(tǒng)動(dòng)力傳統(tǒng)系統(tǒng)中，常常包括了電機(jī)控制器、高壓配電單元、DC/DC、車載充電器，電源管理系統(tǒng)（BMS）等等。德州儀器中國(guó)區(qū)汽車業(yè)務(wù)部現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶認(rèn)為，如果能夠把這些模塊集成在一起，做成集成解決方案，將不僅可以降低整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，也能進(jìn)一步降低成本。

他舉例說(shuō)，根據(jù)不同的集成模塊數(shù)量，可以分為二合一、三合一，及五合一幾種不同的集成解決方案。根據(jù)集成的難易程度，還可以把動(dòng)力總成集成分為基礎(chǔ)的機(jī)械層面集成，即物理集成，以及更加復(fù)雜的控制邏輯和功率層級(jí)方面的集成。

據(jù)周東寶介紹，通過(guò)使用TI的解決方案，客戶可以實(shí)現(xiàn)從分布式的電源架構(gòu)到單個(gè)動(dòng)力域的控制器的方案轉(zhuǎn)變。整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會(huì)隨著整合級(jí)別的增加而提高，對(duì)客戶的收益也會(huì)越來(lái)越高，不過(guò)，他也坦承，集成度越高，面臨的挑戰(zhàn)也會(huì)越多。

周東寶進(jìn)一步指出，集成化的方案可以從以下幾個(gè)方面來(lái)幫助客戶將整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和成本降低50%。

第一，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；
第二，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；
第三，更好地實(shí)現(xiàn)輕量化，有助于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程；
第四，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)，因?yàn)楣δ馨踩乾F(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TI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。

TI的動(dòng)力總成集成方案是如何實(shí)現(xiàn)的？

從TI的電機(jī)控制器、車載充電器（OBC）和DC/DC的三合一解決方案可以看出，三合一的解決方案可以大幅地優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，通過(guò)共享部分的控制電路降低了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量和體積。

周東寶介紹說(shuō)，TI的三合一動(dòng)力總成集成解決方案用了C2000系列微控制器、集成驅(qū)動(dòng)器的GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管、隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870、以及溫度傳感器TMP126等TI的產(chǎn)品。

他進(jìn)一步解釋，首先，采用了C2000系列微控制器，可以提供高達(dá)925MIPS的處理能力，結(jié)合其靈活配置的高精度PWM模塊，可以非常輕松地適配各種復(fù)雜的電源拓樸，以及更高階的控制算法，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的更高效率。內(nèi)置了非常豐富的模擬功能模塊，比如內(nèi)置的DC、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以內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)一些診斷保護(hù)和故障等。這個(gè)控制響應(yīng)完全是純硬件的控制，不需要CPU模塊的參與，也可更進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的可靠性。

第二，采用集成驅(qū)動(dòng)器的GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可以將開(kāi)關(guān)管的門(mén)極電容和輸出電容做得比硅管更低，同時(shí)，因?yàn)镚aN器件沒(méi)有傳統(tǒng)MOSFET寄生二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，所以能以高達(dá)2.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)工作，同時(shí)保持非常低的開(kāi)關(guān)損耗。再結(jié)合TI定制開(kāi)發(fā)的低寄生電感的增強(qiáng)散熱型的切片式封裝，可以實(shí)現(xiàn)兩倍的功率密度提升，以及將磁性元器件減小59%。在氮化鎵功率器件內(nèi)，內(nèi)置了數(shù)字溫度的采樣功能，以提供實(shí)時(shí)的溫度信息，從而可以更靈活地去實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的熱管理。對(duì)于一些常用的過(guò)流、短路、過(guò)溫和欠壓等保護(hù)功能，TI也都把它集成到氮化鎵的開(kāi)關(guān)管里面，客戶無(wú)需再額外加分立電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。同時(shí)內(nèi)置的短路和過(guò)流保護(hù)的電路可以在低至100ns的時(shí)間來(lái)響應(yīng)，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。

第三，隔離驅(qū)動(dòng)器UCC5870系列可以提供高達(dá)15A的峰值電流的驅(qū)動(dòng)能力，這也意味著客戶不需要再外加額外的功率放大電路，它也能夠保證整個(gè)開(kāi)關(guān)管可以進(jìn)行非常高效的開(kāi)通和關(guān)斷，從而達(dá)到更高的效率。UCC5870可以在200ns的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行短路保護(hù)，同時(shí)共模抑制比做到了150V/ns，在業(yè)界都是非常高的一個(gè)水平。更高的共模抑制比意味著TI的芯片可以在更惡劣的噪聲環(huán)境下可以保持可靠的通訊，同時(shí)也能夠保證可以正確地驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到更高的系統(tǒng)級(jí)可靠性。

第四，溫度傳感器TMP126這款產(chǎn)品可以在全溫度范圍下（-40℃~+175℃）的環(huán)境溫度下工作，同時(shí)它的采樣精度可以高達(dá)正負(fù)0.3度。這么高的精度對(duì)系統(tǒng)的意義在于越高的溫度傳感器精度，可以幫助客戶在設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候留有更小的設(shè)計(jì)余量。同時(shí)，在做系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的一些溫度補(bǔ)償時(shí)，精度可以更高，也有助于最大化地提高系統(tǒng)的效率。另外，其數(shù)字接口內(nèi)置的循環(huán)冗余校驗(yàn)功能，也能確保在高噪聲的電磁環(huán)境下能夠可靠地進(jìn)行通訊。

周東寶還特別介紹了TI有兩種途徑來(lái)幫助客戶簡(jiǎn)化功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)和認(rèn)證工作：

第一，TI可以提供符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，比如隔離驅(qū)動(dòng)器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)出的產(chǎn)品。“對(duì)于這款產(chǎn)品，我們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。”周東寶表示。而對(duì)于大多數(shù)常用的信號(hào)鏈的產(chǎn)品，如簡(jiǎn)單的電源和信號(hào)鏈產(chǎn)品，TI則可以提供整個(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，幫助客戶進(jìn)行功能安全的設(shè)計(jì)。

第二，為了加速客戶產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，TI跟TüV SüD合作，也開(kāi)發(fā)了功能安全等級(jí)更高可以達(dá)到ASIL D的集成牽引驅(qū)動(dòng)器和DC/DC直流變換器的整個(gè)升級(jí)方案。TIDM-02009相關(guān)的一些資料、設(shè)計(jì)文檔等數(shù)據(jù)也都可以在TI的官網(wǎng)上找到。這個(gè)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。

最后，周東寶總結(jié)了TI動(dòng)力總成系統(tǒng)集成解決方案的優(yōu)勢(shì)。首先，集成解決方案功率密度高，整個(gè)系統(tǒng)效率可以達(dá)到98%。其次，通過(guò)利用TI的產(chǎn)品的技術(shù)，幫助客戶進(jìn)行熱性能方面的優(yōu)化，以及診斷、保護(hù)等等電路的一些設(shè)計(jì)，TI可以提升整個(gè)電路的可靠性。三是，通過(guò)使用TI的產(chǎn)品，可以使用更少的器件、更小的解決方案和尺寸來(lái)將整個(gè)系統(tǒng)的成本進(jìn)行大規(guī)模地降低。四是，TI提供了多種方案來(lái)簡(jiǎn)化客戶的功能安全認(rèn)證，比如高達(dá)ASIL D級(jí)的合規(guī)認(rèn)證工作。

動(dòng)力總成集成方案應(yīng)用案例

TI的合作伙伴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(jīng)理韓永杰分享了他對(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的看法，以及與TI合作開(kāi)發(fā)的兩個(gè)實(shí)用案例。

在他看來(lái)，這幾年新能源汽車行業(yè)發(fā)展非常迅速，同時(shí)電力電子在新能源汽車的帶動(dòng)之下，也產(chǎn)生了很多新的技術(shù)的方向和趨勢(shì)?！澳壳半妱?dòng)汽車的發(fā)展有兩個(gè)非常明顯的趨勢(shì)，一是提升性能；二是降低成本，減少產(chǎn)品的體積和種量。”韓永杰表示。

首先，他介紹了其OBC和DC/DC集成的解決方案。目前市場(chǎng)上有兩種集成方式，一種是物理集成，它是把OBC和DC從物理的兩個(gè)盒子放在一個(gè)盒子里，是接插件共用的概念。

“威邁斯的磁集成是一個(gè)更深等級(jí)的一個(gè)集成的方式，最主要是采用軟件和硬件深度結(jié)合的方式來(lái)共享很多電力電子器件，包括共享變壓器。其次是共享電力電子器件，也跟TI的產(chǎn)品有很深的結(jié)合。因?yàn)榧蓪?duì)整個(gè)產(chǎn)品的實(shí)施控制還有產(chǎn)品的精度要求都非常高，C2000系列也在這里扮演一個(gè)很重要的角色?！表n永杰表示。

韓永杰認(rèn)為，從未來(lái)的趨勢(shì)來(lái)講，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)該是要趨向于一個(gè)集成。目前可能存在著三塊，即OBC、DC/DC和PDU集成，電機(jī)和減速機(jī)。“從未來(lái)的發(fā)展來(lái)講，實(shí)際上還要進(jìn)一步地集成。威邁斯在這一塊做了很多工作，我們?cè)趹?yīng)用這一塊也是跟TI在做深度的合作，尤其是C2000和UCC5870驅(qū)動(dòng)芯片，應(yīng)用在我們的產(chǎn)品上?！彼麑?duì)媒體表示。

結(jié)語(yǔ)

總之，目前混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車市場(chǎng)還在快速增長(zhǎng)中，但市場(chǎng)能否長(zhǎng)久增長(zhǎng)下去，還是取決于成本的降低，以及在消費(fèi)者更夠負(fù)擔(dān)得起的價(jià)格下，汽車廠商及其供應(yīng)鏈企業(yè)仍然有利可圖，而集成解決方案不失為一個(gè)好的應(yīng)對(duì)之策。