浅析电动汽车动力系统集成化、模块化下的芯片演化

从2007年到2021年,中国汽车行业一路蓬勃发展,汽车销量在2018年阶段性见顶。在这个过程中,我们看到了合资企业高速发展、自主品牌崛起,还有新兴企业在电动汽车领域的成长。目前在汽车行业大变革时期,对电气化、智能化、网联化、共享化多重赛道提出了截然不同的设计和开发需求,这使得在竞争最激烈的中国市场,整车企业已经开始打破原先“五年一换代、三年一改款”的开发步调,目前车企都是在燃油车销售的基础上,实施大规模的投入进入电动化转型,包括在软件层面进行转型。

如下图所示,我们能看到一个非常重要的特点,就是动力总成和热管理系统,包括驱动系统、电池系统、充电和功率电子及热管理系统,在某种程度上开始进一步融合发展,进入高集成化阶段。在下图中灰色的部分,都将作为未来智能电动汽车的基础部件,在讲究规模化、集成化的道路上进行发展。

图1 电动汽车的发展基础和拓展

动力总成方向上的组合

我们在前几年经历的整合,主要是电气化的动力架构,基本包括车载充电器(OBC)、高电压DC/DC(HV DC/DC)、逆变器(ACDC)和配电单元(PDU)等动力系统终端器件。由于这些部件比较多,在平台开发的考虑中,可以在机械、控制或动力系统级别应用整合。

目前已经很清楚的做法,一种是模块化集成——

3+3+3:驱动系统(电机、逆变器、减速器三合一驱动)+电池系统(电池+OBC+DC/DC集成),热管理集成(PTC、压缩机和管路、阀),这个我们已经比较熟悉了,这已成为了一个常规的做法。

至于往上面更多的集成,如下图中通用汽车在Ultium平台“8合1”的高集成电驱单元,这里包括了电机、逆变器和减速器,整车控制器、集成PDU、OBC和两个DC/DC 。

图2 通用汽车“8合1”的高集成电驱单元

我们可以看到,随着竞争的日趋激烈,想要在规模上达到一定的高度,车企就需要在原有的模块化基础上做深入的简化,把这些部件进行集成化形成一个整体部件,这样可以带来很多的好处:

1)优化三电系统和电动汽车架构的特性和效率,可以通过减少总装的零件数量,提高总装的可制造性;

2)通过结构系统,可以减少高压连接的线束,合并结构并减少支架,达到整体减重的目的,最重要的是降低整车层面管理的复杂度;

3)面向未来考虑,把每个部件进行标准化和模块化,这样在集成过程中,尽可能复用;

4)在整合的过程中优化成本,使得成本上有很大的空间。

这里我们看到两个方向,一个是从芯片和电路方向方面的不同集成化阶段,如之前所说的,从不同电气、结构和控制的层级来看,集成化有不同的阶段,我们以车载充电机与DC/DC这个集成为例,这两个部件是完全独立的。我们最终的目的,是要通过功能合并,尽可能让两个高度集成的部件在元器件层面上能实现一定程度的复用,通过细节设计改变电路的一定结构,实现简化成本的目的。

备注:这个原理框图出自TI的官方网站TI.COM.CN,上面有关于这些元器件的选型列表。其中,TI超低延迟的 C2000™MCU有助于实现更高的开关频率(最多提高 1 到 2 MHz),以及,由 GaN 等材料制成的宽带隙开关与经过优化的高速栅极驱动器,可大幅度减小元器件尺寸,提高系统效率。

第一阶段:OBC和DC/DC,只是物理上放在一起,两个都是独立的,也就如下图所示,是整体的两个部件。

第二阶段:两个部件使用一个结构壳体,共享冷却流道。

第三阶段:控制级整合,把两个部件的控制逻辑部分的电路整合在一起。

第四阶段:在功率拓扑层面,复用部分的电路器件(开关器件和磁性器件)。

图3 OBC和高电压DC/DC转换器不同层级的整合

也正是从这个角度来看,目前从功率器件整合来看,考虑到车载充电器和高电压DC/DC的全桥额定电压相同,可以考虑结合使用,让两个部件复用全桥共享电源开关成为可能。将两个变压器整合在一起即可实现磁性整合,在高电压侧具有相同的额定电压,因此最终可能成为三端变压器。在这种设计下,DC/DC低电压输出的性能将受限,可以考虑是增加一个内置降压转换器。

图4 OBC和DC/DC的功率层面复用

第二个方向,就是控制层面、算法层面的集中化处理

以之前某品牌集成热管理的设计方向来说,这里不光采用了部件集成,所有部件物理部分集中,将传统热管理系统中 12 个部件集成为一体,采用基板替代原有的互通管路,实现热管理系统管路数量降低 40%、部件数量降低10%。最重要的是控制集成,所有部件控制部分集中,压缩机、水泵等关键部件的控制系统全部集成至 EDU(Electric Drive Unit),这样的好处在于软件的扩展、升级和功能优化,降低部件电控故障概率,增强各部件生命周期的诊断、维护。最重要的是,这是符合未来的汽车软件集中化管理发布的技术大方向。

图5 集成热管理系统

小结:

智能电动汽车会在未来颠覆整个行业,在整个过程中,电气化部件的集成和共用是基础。在零部件数量和系统简易度方面的优势是非常明显的,而且从开始的结构整合到电子电气方面的集成化。随着软件控制的逐步发展,整体智能汽车的发展节奏会更快,更需要芯片和软件在三电系统上的核心支持。

参考文件:

1)Achieving High Efficiency and Enabling Integration in EV Powertrain Subsystems Using C2000™ Real-Time MCUs

2)A High-Performance, Integrated Powertrain Solution: The Key to EV Adoption

3)Reduce EV cost and improve drive range by integrating powertrain systems

图|网络及相关截图

作者简介:朱玉龙,资深电动汽车三电系统和汽车电子工程师,著有《汽车电子硬件设计》。


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