電動汽車動力總成技術(shù)

汽車行業(yè)從兩方面推動提高燃油效率和降低二氧化碳排放量，這對支持這些平臺所需的傳感系統(tǒng)以及電池管理系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的各個方面提出了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

為了在給定電池容量的情況下最大化每次充電的行駛里程，整個電源轉(zhuǎn)換鏈必須盡可能實現(xiàn)最高效率。在下一代電動汽車和自動駕駛路線圖虛擬會議的小組討論中，三位行業(yè)專家研究了電動汽車制造商、原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商面臨的動力總成挑戰(zhàn)。ADI 公司電池管理系統(tǒng)總經(jīng)理 Mike Kultgen 參加了 EE Times/Power Electronics 的討論；安森美半導(dǎo)體全球汽車戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Joseph Notaro；Allegro MicroSystems 技術(shù)和產(chǎn)品高級副總裁 Mike Doogue。以下是他們談話中的一些亮點。

電力技術(shù)

EE Times/電力電子新聞：電動汽車革命正在加速邁向更可持續(xù)的未來。EV 電池和推進系統(tǒng)是提高車輛設(shè)計性能的關(guān)鍵。相關(guān)的設(shè)計參數(shù)是車輛動力總成系統(tǒng)中的功率水平、轉(zhuǎn)換效率、工作溫度、熱能耗散能力和系統(tǒng)封裝。您如何看待這些領(lǐng)域的進展和挑戰(zhàn)？

Mike Doogue：市場正在迅速從內(nèi)燃機動力系統(tǒng)過渡到電氣化動力系統(tǒng)。所以，很明顯，在電力系統(tǒng)中，測量電流是一件非常重要的事情。Allegro 的電流傳感器幫助我們的客戶提高效率、擴大范圍并提高汽車的性能。

我們使用磁原理來測量電流，因此我們實際上測量的是載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場。因此，我們實際上不需要與該導(dǎo)體建立電氣連接，因此我們可以感測位于接地電位或 800 伏特的導(dǎo)體上的電流水平，從小到非常大的電流。當(dāng)您使用電流隔離進行感應(yīng)時，IC 本身確實不知道您感應(yīng)的節(jié)點上的電壓差異，因為您沒有將半導(dǎo)體器件與該節(jié)點進行電氣連接。它為我們的設(shè)備提供了很大的靈活性，不僅在工作電壓方面；我們可以以相當(dāng)高的精度測量低至 1 安培到 4,000 多安培的電流。與基于分流器和放大器的解決方案相比，我們可以提供具有更低歐姆熱損耗的解決方案，尤其是需要光隔離器的解決方案。我們在 IC 中內(nèi)置了隔離功能，它們被用來幫助提高性能，[在設(shè)計中] 從逆變器到充電器、DC/DC 和電池管理系統(tǒng)。

Mike Kultgen：確實有三類興趣。有動力系統(tǒng)，其中電池是該系統(tǒng)的主要組成部分。有自動駕駛或 ADAS，您確實需要高效、低噪聲和緊湊的電源。然后，當(dāng)然，還有機艙體驗；無論是音頻還是平視顯示器，都需要降噪。電動汽車正在真正改變車內(nèi)體驗。專注于動力系統(tǒng)方面，我的業(yè)務(wù)主要在電池領(lǐng)域，我們嘗試做的是安全地最大化電池組的能量吞吐量，因為這真正轉(zhuǎn)化為客戶體驗，即更長的行駛里程, 更快的充電，甚至更低的成本，如果你能用更少的電池獲得更多的里程。

因此，在電池領(lǐng)域有很多有趣的問題需要解決。它主要是電池測量，[例如，] 試圖在 800 伏共模電壓之上提取 4 伏電池電壓，并獲得 1 毫伏的分辨率?？赡苡袛?shù)百伏的瞬變；電池內(nèi)部的環(huán)境非常困難，非常惡劣。還有其他動力系統(tǒng)應(yīng)用：逆變器、車載充電器。我們提供圍繞開關(guān)的東西，隨著該業(yè)務(wù)向碳化硅過渡，將需要專門的柵極驅(qū)動器；總是需要隔離的電源。對于艙內(nèi)體驗，處理能力不斷提高，對這些設(shè)備供電的要求也在不斷提高。然后再次，

Joseph Notaro：我們專注于 ADAS/自動駕駛和電動汽車。在 ADAS/自動駕駛中，我認(rèn)為問題在于我們?nèi)绾紊蓴?shù)據(jù)、操縱數(shù)據(jù)、移動數(shù)據(jù)，而在 EV 中，我們實際上如何管理能源？所以，能量實際上是由動力驅(qū)動的。而這正是重點所在。因為今天，從事汽車行業(yè)是令人興奮的，尤其是電動汽車。真正的挑戰(zhàn)在于技術(shù)。我們?nèi)绾潍@得更好的材料和更好的電池？我們?nèi)绾握嬲玫毓芾砟茉矗档统杀?，同時解決消費者面臨的充電和里程焦慮等挑戰(zhàn)？第二個方面是基礎(chǔ)設(shè)施。

因此，我們的使命是創(chuàng)造節(jié)能半導(dǎo)體，幫助世界變得更綠色、更安全、更包容和更互聯(lián)。這是基于兩個支柱。一是技術(shù)。我們希望為我們的合作伙伴提供最佳解決方案，以創(chuàng)建節(jié)能系統(tǒng)。另一個是制造——不僅能夠制造零件，而且能夠大批量生產(chǎn)這個新興市場所需的零件，并以高質(zhì)量和低成本可靠地制造它們。[要實現(xiàn)] 更高的效率，您希望最大限度地利用油箱的能量，[從而] 為車輪充電，這樣您就可以花更多的時間駕駛而減少充電的時間。這確實是我們的使命，也是我們關(guān)注的重點。

電池管理系統(tǒng)

EE Times/電力電子新聞：在構(gòu)建大型電池組時，需要電池監(jiān)控和電池平衡以在電池組的整個生命周期內(nèi)保持高電池容量。電池管理系統(tǒng)解決方案如何解決這個問題，目前最先進的技術(shù)是什么？

庫爾特根：任何電池管理系統(tǒng)的目標(biāo)都是安全地從電池組中獲取最多的能量和功率，因為最大的吞吐量會影響車輛。安全至上。所以，在你談任何事情之前，你先考慮安全；它影響電子設(shè)計、電池單元設(shè)計、機械設(shè)計、軟件、溫度控制系統(tǒng)——包裝中的一切。每個電池管理系統(tǒng)的核心是測量和平衡電池組中的每個電池。這可能是數(shù)百個或數(shù)千個電池，其中一些是并聯(lián)的，最先進的技術(shù)是使用高達 800 伏的共模電壓測量電池組中的每個電池電壓、電流和溫度，并且數(shù)百伏特和噪聲，并在高達 85°C 的中等溫度范圍內(nèi)進行這些測量，甚至 125°C。因此，測量精度是關(guān)鍵。

EE Times/電力電子新聞：雖然越來越需要尋找能夠徹底改變我們移動方式的環(huán)保系統(tǒng)，?還需要確保新的綠色技術(shù)在價格和性能方面盡可能高效和有效。增加更高電壓的電池以滿足日益增長的功率要求，反過來又增加了供電架構(gòu)的復(fù)雜性，并對尺寸和效率提出了新的要求。有許多電氣化選擇，但大多數(shù)制造商選擇 48 伏輕度混合動力系統(tǒng)，而不是全混合動力系統(tǒng)。48 伏技術(shù)在哪里插入未來的移動性？您如何看待全電動汽車轉(zhuǎn)向更高電壓（即 800 伏）的趨勢？這將如何影響功率器件的選擇？

Doogue：不同地方采用的架構(gòu)不同；輕度混合動力汽車是真實的。當(dāng)然，許多行業(yè)專家預(yù)測，嚴(yán)重依賴 48 伏電池的輕度混合動力汽車的數(shù)量將大幅增加；我們看到我們的客戶發(fā)生了這種情況。因此，我們確實相信 EV 革命的這一部分是真實的，48 伏電池供電的輕度混合動力車將在未來幾年推動市場上的一些銷量。與此同時，800 伏技術(shù)也在加速加速。有時我想提醒自己，很多這樣的技術(shù)已經(jīng)存在，電動公交車和其他車輛已經(jīng)在使用 800 伏電池。我們已經(jīng)開始看到，無論是保時捷還是其他一級制造商，[公司] 采用 800 伏技術(shù)。

Notaro：48 伏系統(tǒng)絕對是與車輛 IC 兼容的系統(tǒng)，因此今天您可以升級車輛并真正降低 CO 2以相對較低的成本排放。48 伏 [段] 是現(xiàn)實；市場上有很多汽車。到 2025 年，四分之一的新車將實現(xiàn)電氣化；從 2030 年開始，[至少]一半將通電，這實際上是 48 伏和 400 至 800 伏的組合。因此，肯定有一個不斷增長且具有巨大優(yōu)勢的市場。另一方面，當(dāng)我們查看插電式電動汽車時，您就會開始看到更高電壓的價值，因為最終您必須處理物理問題——您無法改變這一點。當(dāng)我們現(xiàn)在考慮為插電式電氣化的高壓而使 [動力系統(tǒng)] 電氣化時，隨之而來的是基礎(chǔ)設(shè)施。即使是 48 伏的輕度混合動力車，您也需要一個獨立的基礎(chǔ)設(shè)施。

圖 1：48V 技術(shù)（來源：Analog Devices）

圖 2：跨平臺解決方案（來源：Allegro MicroSystems）

圖 3：快速充電驅(qū)動增加了電池電壓。（來源：安森美半導(dǎo)體）

大流行的影響

EE Times/電力電子新聞：在制造方面，Covid-19 大流行引起的當(dāng)前問題是什么（如果有的話）？對電動汽車市場有何影響？我認(rèn)為，通過更加果斷地推動該市場轉(zhuǎn)向電動汽車，這種情況可能會為更環(huán)保的未來提供良好的牽引力和良好的推動力。

庫爾特根：我們現(xiàn)在面臨的是在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈在制造的每一步都面臨產(chǎn)能短缺的時候?qū)﹄妱悠嚨那八从械男枨?。因此，在需求方面，在某些地區(qū)，電動汽車銷量同比增長 300%，而此時您知道汽車市場正試圖恢復(fù)正常。其中一些是 [a result] 政府相關(guān)的刺激計劃有利于電動汽車，尤其是在歐洲（也許中國上海是另一個例子）。我認(rèn)為 COVID 封鎖讓我們意識到了空氣質(zhì)量。新的在家工作、在家玩的場景改變了人們的購買習(xí)慣，也改變了人們的優(yōu)先事項。它改變了您使用汽車的定義。但它也創(chuàng)造了對汽車世界以外的半導(dǎo)體和電子產(chǎn)品的這種需求，這對汽車世界產(chǎn)生了影響。在供應(yīng)方面，我們關(guān)注晶圓、引線框架、組裝能力、半導(dǎo)體加工設(shè)備和測試設(shè)備的短缺。

杜格：我在我們的行業(yè)——或者說在汽車行業(yè)——看到，在大流行的早期，許多企業(yè)并不知道這一切將如何結(jié)束，因此節(jié)省現(xiàn)金是大多數(shù)公司采取的關(guān)鍵策略。結(jié)果，我們看到了一份關(guān)于某些公司最重要的研發(fā)項目的明確聲明。他們正在削減可以省錢的地方，但某些程序是不可觸及的；這些是定義未來的最重要的計劃。我們在整個大流行中看到的可能是從工程和開發(fā)的角度加速對電動汽車平臺的關(guān)注。我認(rèn)為 [觀察是] 支持各汽車公司談?wù)撍麄兂兄Z 100% 電動，無論 [by] 2030 或 2035。

Notaro：現(xiàn)在是壓力大的時候。電動汽車市場真正由動力驅(qū)動，而能源管理在汽車中確實占主導(dǎo)地位。所以現(xiàn)在，不僅是汽車，還有工業(yè)、云[基礎(chǔ)設(shè)施]——所有這些應(yīng)用都將需要大量電力。未來五年，功率器件的供應(yīng)將非常有限。我們更多地關(guān)注碳化硅，因為那時你會關(guān)注襯底，所以我們非常關(guān)注制造方面。但是市場上的電力需求將猛增，這將在供應(yīng)鏈上創(chuàng)造就業(yè)機會 [但也會增加需求]。

基礎(chǔ)設(shè)施問題

EE Times/電力電子新聞：基礎(chǔ)設(shè)施是我們必須面對的下一個挑戰(zhàn)。讓我們想想電網(wǎng)以及需要更多充電站和智能電網(wǎng)來管理我們的電動汽車。是否可以增加太陽能等清潔能源的使用，確保電動汽車零排放？

庫爾特根：電動汽車的綠色程度取決于為其充電的能源，因此我們必須意識到這一點。然后是車輛的制造：如果它有大量的碳足跡，那么在環(huán)境影響方面，我們真正做了什么？因此，我們傾向于關(guān)注整個生態(tài)系統(tǒng)，尤其是電池領(lǐng)域。電池是如何生產(chǎn)的，如何最大限度地利用它們以減少碳足跡？您會看到歐盟已經(jīng)實施了一些標(biāo)準(zhǔn)，例如電池的數(shù)字護照，以確保其整體占用空間很小。我們著眼于整個生態(tài)系統(tǒng)以及我們可以在哪些方面發(fā)揮作用來幫助解決這個問題。顯然，當(dāng)涉及到電網(wǎng)時，二級存儲將有助于平衡電網(wǎng)。我們的電池管理系統(tǒng)可以從汽車中取出，直接應(yīng)用于電網(wǎng)儲能。我們都在電池制造領(lǐng)域發(fā)揮作用，以使用最少的能量制造出最高容量的電池。

道格：我們在 Allegro 的使命宣言之一是將世界上的技術(shù)推向更安全、更可持續(xù)的未來。所以，當(dāng)我們[某人]像我的鄰居一樣，我們感到非常自豪和高興，他屋頂上有太陽能電池板，車庫墻上有一個充電盒，里面停著他的特斯拉。我想我們都知道需要對基礎(chǔ)設(shè)施進行大量投資。我知道這會很昂貴，但我也相信創(chuàng)新，我相信創(chuàng)新可以使情況更易于管理。人們談?wù)撁總€人下班回家并同時插入電動汽車的 [幽靈]，從而在電網(wǎng)上產(chǎn)生峰值負(fù)載。但這是一個非常容易解決的問題。通過一些創(chuàng)新、調(diào)度和附加技術(shù)，也許可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行控制，我們可以降低電網(wǎng)的壓力。

Notaro：基礎(chǔ)設(shè)施可能是當(dāng)今最大的挑戰(zhàn)；[為解決這個問題而出現(xiàn)的不同舉措和投資就證明了這一點]。您每次都需要為 EV 充滿電，但重點是您可以獲得前 50% 到 80% 的電量，然后這些汽車的發(fā)動機恢復(fù)非常棒。我有一輛插電式混合動力車，我很驚訝我能開多遠(yuǎn)，即使電池沒電，僅僅因為恢復(fù)。所以，這只是心態(tài)上的差異。但政府將不得不加強，因為基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)[它]的公司受到嚴(yán)格監(jiān)管。所以這是即將到來的挑戰(zhàn)之一。

然后你將擁有替代技術(shù)。例如，商用車的燃料電池將是一個很好的解決方案。我始終相信工程師會為任何問題找到正確的解決方案。

審核編輯 黃昊宇