在電動汽車中，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)級集成式動力總成解決方案的基礎(chǔ)。

對于電動汽車設(shè)計(jì)工程師來說，提高效率、可靠性和延長行駛里程，同時降低動力總成系統(tǒng)昂貴的成本，無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。如果能將電池、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器（OBC）和牽引逆變器封裝在一個外殼中，成為一個電動汽車動力總成集成就可以解決很多問題。

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

電動汽車時代已經(jīng)開啟

電動汽車時代的趨勢已然形成。到2035年，通用汽車將淘汰汽油和柴油汽車；福特汽車將在2030年前在歐洲實(shí)現(xiàn)全電動；英國提前到2030年淘汰柴油和汽油車；UPS和亞馬遜等車隊(duì)將訂購數(shù)千輛零排放電動卡車……

對消費(fèi)者和汽車愛好者來說，下一個十年將是自“肌肉車”時代以來最令人興奮的選車時刻。彭博新能源財經(jīng)稱，到2026年，美國將展出大約130種不同型號的零排放汽車，而目前大約有15種。

圖：各種電動汽車產(chǎn)量走勢

這輛車最需要高效率

在電動汽車中，各種傳感器、高級娛樂系統(tǒng)等電子設(shè)備已陸續(xù)搭載，而車輛耗電量對續(xù)航里程有直接影響，沒有高效率的動力總成就難以為繼。另外，目前電動汽車成本比內(nèi)燃機(jī)車高40%左右。統(tǒng)計(jì)表明，有購買電動汽車意向的消費(fèi)者美國為30%，歐洲60%，中國70%。成本和行駛里程仍是阻礙電動汽車普及的主要因素。

從哪里入手解決上述問題呢？起初，人們以為電池成本是電動汽車價格居高不下的唯一原因，但自2010年以來，電池價格已下降了89%，未來還可能繼續(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、盒子更少的動力總成集成將是加權(quán)選項(xiàng)。

在電動汽車中，制動器、動力系統(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——動力總成提升效率。

此外，隨著消費(fèi)者對電動汽車接受程度的提高，還要滿足他們對更好性能、更長行駛里程、節(jié)能和緊湊型系統(tǒng)的需求，同時也可以解決主機(jī)廠當(dāng)前盈利能力不足的問題。

從面向成本的設(shè)計(jì)出發(fā)

受消費(fèi)者歡迎的電動汽車的共同之處在于，采用全新的動力總成平臺設(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)代電動汽車的電池電壓通常為400V，但要獲得更大馬力，則需要將電池電壓提高至800V，尤其是在高端電動汽車中。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?，可降低熱耗散。直徑更小的電纜和更低的重量又降低了DTC。

對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。動力總成系統(tǒng)的功效和大小決定電動汽車的性能，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。電動汽車行業(yè)正在通過集成將功率密度目標(biāo)擴(kuò)展到動力總成系統(tǒng)，在更緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率。

在電動汽車中，緊湊空間意味著更小的印刷電路板和外殼材料。包括車載充電器（OBC）、DC-DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器在內(nèi)的動力總成子系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)、集成IC解決方案和半導(dǎo)體開關(guān)電源都會發(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)級集成式動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

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

先定幾個小目標(biāo)：

• 用更少的器件、更小的解決方案尺寸和更簡單的設(shè)計(jì)；

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

• 通過優(yōu)化熱性能提高系統(tǒng)可靠性；

• 簡化ASIL D級合規(guī)性認(rèn)證。

一是使用單個動力總成域控制器、功率級和機(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、車載充電器和電源管理系統(tǒng)（BMS）；

三是在機(jī)械、控制或動力總成層面進(jìn)行集成。

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

具體來看，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的集成。

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

用什么來優(yōu)化？

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

如TI中國區(qū)汽車業(yè)務(wù)部現(xiàn)場技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理周東寶所說：“每千克重量都是效率的重要組成部分，如果可以減輕汽車重量，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力總成系統(tǒng)集成到一個緊湊的機(jī)械外殼中，這不僅使設(shè)計(jì)和組裝更簡單，還減少了對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。