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深度:TI 在新能源汽车和动力汽车的创新设计和市场布局

2019-05-16 17:02:42 来源:周菊香,EETOP原创
510IC Insights公布的最新报告中,德州仪器TI凭借108亿美元销售额和18%的市场份额继续位居榜首。根据披露,工业和汽车应用占据了德州仪器去年总收入的56%其中汽车应用占模拟产品营收的20%2019年是TI汽车事业部经营的第35个年头。在近期召开的媒体发布会上,德州仪器中国区汽车业务部总经理张磊和德州仪器中国区汽车兴发娱乐技术应用经理师英为大家分享了TI在新能源汽车和动力汽车的创新与布局,并重点发布了几款参考设计的方案。



左:张磊,德州仪器(TI)中国区汽车业务部总经理
右:师英,德州仪器(TI)中国区汽车兴发娱乐技术应用经理



汽车电气化的技术趋势及TI的战略布局
 
兴发娱乐化为汽车作到了所谓“新三化”功能,汽车会更智能、更有效率、更加安全,也会更绿色。按照汽车兴发娱乐系统发展的演进,汽车新的应用又呈现出很多创新的潮流趋势。不过,所有电气化的目的本质上都是为了加速电力汽车和电动动力总成系统的创新,加速电动汽车和动力总成设计,减少排放,减轻重量级并通过减少机械部件从而提高汽车效率。
 
作为半导体元器件供应商,TI在全球30多个国家有10万多客户,销售10万多种产品。在最传统的被动安全系统,即ABS系统和安全气囊系统,TI占有非常大的市场份额。随着汽车兴发娱乐化不断推进,TI的战略布局也有了新的调整。目前,TI的整个方向是在致力于做好器件供应商本职工作之外,更多的精力则放在致力于作为系统级解决方案的供应商。
 
1、先进的驾驶辅助系统(ADAS系统)汽车处理级芯片可以把整个ADAS系统应用不断地先前演进。现在配装率越来越高的功能体现在自动泊车和盲点检测,TI在这方面有比较成熟的方案,比如77G毫米波雷达,除此之外,TI还致力于在无人驾驶Leve4以及更高技术的研发和储备。

2、汽车兴发娱乐和照明。传统汽车照明从原名的卤素灯到氙气灯,现在的技术往LED发展越来越变成主流。LED方面,TI有很多方案,尤其在照明方面,TI有自己独创而且独有的技术,TI基于这个技术可以提供整个汽车业内唯一的100万像素的前灯方案,可以提供很多不同的体验,投射非常多的交通标志和图形。

3、信息娱乐系统和集群信息交换系统。将比较传统的娱乐导航系统和模拟仪表盘系统结合是现在最流行的汽车娱乐和信息系统的交互方式,随着整个技术的演进,整个系统会从模拟仪表盘越来越向数字仪表盘过程,以后会看到越来越多的TI DLP抬头显示在配装里越来越高。TI致力于从传统的组合,即娱乐系统和信息建设、面板系统的组合更多地往驾驶座舱一体式娱乐信息、交互系统去发展,使得整个驾乘体验和驾驶安全性更加好。

4、新能源汽车和动力汽车。从传统的内燃机(ICE)到双混的混合动力汽车(HEV)到电动汽车(EV),汽车动力学上,一直都致力于怎样提高整车的效率。整个行业都是围绕着减排节能在做非常多的不同的创新。轻混上,在自动启停上能够完成能量的回收,使整个燃油效率更高;纯电动汽车上也有新技术,就是电动扭矩辅助,使汽车在同样输出的效率上它的推动力更强,从而达到节能的目的。在这个领域上,TI所提供的芯片方案,想达到的最终目标,是使得整个新能源汽车变得更加有效率,更加节能和安全。
 

汽车的发展其实是汽车引擎的发展
 
一个汽车的发展其实也是汽车引擎的发展,也就是通过汽车引擎的发展我们走向零排放的发展。汽车从轻混合、中混到现在往完全混合和插电式混合发展,越来越多的汽车是从双擎内燃机加上电力马达两个驱动引擎往纯电动方向发展。怎样提高电力发动机马达的效率,让板上充电的时间更短;怎么计算形势里程精度,这是纯电动汽车非常关键的一个技术,因为它没有一个备份传统的内燃机系统。
 
现在汽车有四大最重要动力引擎,是保证整个系统能够高效、节能、绿色、运营的基本。
 INV电力动力输入系统:怎么样使电力转化成动力的主要转换系统。
 DC/DC板上电源管理系统:是整个Powertrain系统,纯电系统下非常重要的管理系统。
 BWS:电池管理充放电,电池管理的精度测量
 OBC板上的充电系统:现在纯电车以及插电式混合,需要板上充电系统能保持它对电池充电非常有效率。
 
TI的主要产品包括模拟和嵌入式处理,在这两个方面有持续不断的很多创新总体是朝着更高效,更安全,更环保的方向提供精密的监控和保护。如开篇所提,TI现在致力于作为系统级解决方;案的供应商,目前在TI的官网上,提供有很多的“参考设计”,基于汽车领域的系统参考涉及有340,涵盖ADAS、Infortainment、BODY和Lighting、被动系统(包括VE/HEV),其中EV/HEV下面有四大系统,包括OBC、DC/DC、Traction invert和BMS。汽车的设计实际是非常长期的过程,如果改设计是个非常大的工程。TI基于参考设计会提供一些全套的系统解决方案,能够有效降低设计人员的门槛,把设计周期减少,能够从原厂提供更多放心的报告。

BQ79606-A新能源汽车电池管理系统
 
基于TI BQ79606-A新能源汽车电池管理系统的参考设计,可以提供新能源汽车从12V电池系统到400V电池系统,甚至还可以再往上扩展到800V、1.5KV。电池串数来讲,一部汽车里电池系统会有很多种可能性,第一种是12V,这是每部车子都有的,而且传统上是铅酸电池;第二,48V电池,在中混情况下会引入一个48V电池;第三,400V,一般情况下HEV和EV大部分的工作电压都是400V。下一步电池系统有可能会做到800V。
 

BQ79606-A新能源汽车电池管理系统


 BQ79606-Q1这个参考设计基于BQ79606系统,它有很独特的特点。主要体现在以下几方面:
1、支持电气化传动系统中的大型电池组配置。每个BQ79606是6个通道的,可以测量6个电芯的电压。通过菊花链的堆叠技术,它可以让整个系统支持到48V、400V、800V甚至1.5KV电池包的模组。
2、多个cell电压同步精确测量在所有的电池管理技术方案里,比较特别的特点,对于多个电池核心,它的电压测量是同步进行的,即每一个通道都是对应一个单独的ADC,就是模拟开关,它可以同步采样。这样的好处是后面电池做SOC(充电管理算法)的时候会提供很大的便利性,同时对精度也是很大的提升。
3、12V、48V至400V、800V至1.5kV范围实现极高测量精度(<1%误差)。这是一个非常高的指标。
4、集成辅助ADC,可在扩展温度范围内监控电芯温度。具有集成保护的6通道精密电池监视器,每一个通道都是同步测量的。同时在每一个BQ79606芯片里,单独以电芯、电压测量的独立辅助ADC。在电池包设计的时候,温度是非常重要的,电池包工作不管是过低还是温度过高都是有风险的。一个单独辅助的集成ADC可以提供单独温度测量通道。
5、小外形尺寸:20mm x 40mm解决方案
6、最高安全等级:帮助达到道路车辆标准安全标准ISO 26262的最高安全目标,即ASIL D级。
 
BMS最主要的是计量芯片,周边的是兴发娱乐芯片,温度传感器等,有非常多的系统。现在电池包的模组化越来越灵活,在电池包的设计上,电池包分解成模组的话,这里的设计挑战是,当模组串的越多,通讯的衰减、通讯的可靠性是最大的设计挑战。随着模组串的增多,通讯性能的衰减甚至极有可能到达有问题的地步,这是衡量它的指标或者衡量它的设计挑战。
 
通常,现在的电池包采用的常用兴发娱乐方式有两种,一种是菊花链,一种是CAN的Network。BQ79606采用的是菊花链的兴发娱乐方式。传统的菊花链只是把信号直接传递,原样传递,TI在此基础上又做出了两个很重要且独特的技术创新。第一,它的信号传递是通过整形以后再传给下一级,所以它对菊花链整个兴发娱乐的可靠性,即使信号从第一级传到最后一级,它的波形是不会发生很大的降级,这就保证了在复杂的噪声环境里,它的通讯可靠性以及链路整个可靠性;第二,它提供一条回路(回环),整个菊花链不是一条线串出去到and就结束的,而是有进有出串回来,这样当中间节点断的时候可以从另外一条回环的路回来。再回到CAN的Network,它是每个测量单元旁边放一颗MCU,这个MCU读取DMS芯片的数值,再通过这个MCU把整个CAN网络把所有节点都串起来。菊花链相对CAN的Network来讲,最主要的优势是整个系统成本要低。因为在菊花链的兴发娱乐网络里是不需要那个额外的单片机和额外的CAN的Transceiver,相应的电源也会减少。

TMP235_Q1高精度温度传感器
 
在新能源汽车里,不管是在Traction invert动力牵引的马达驱动系统还是BMS,或是在DC/DC、OBC,这些兴发娱乐电气化设备里都会有千瓦级的功率流过这些器件,这带来的热的问题是非常显著的。热会带来两个问题:过热会损坏一些精密的电路系统,更糟糕的情况,可能造成车辆的损坏。在这种情况下,不管是在任何一个部件里,温度的监测和保护都是非常重要的。


TPM235-Q1 温度特性曲线

 
所有的半导体器件,它的特性会随着温度和寿命的变化而有所变化。这个变化可以根据它的特性和材料、工艺都会有区别。在线路板上很多兴发娱乐的热,当前的控制技术还是靠半导体的温度传感器。TPM235-Q1芯片是TI目前精度最高的一个温度传感器,用于动力总成系统设计,在千瓦级的功率等级下,保护动力总成系统免于过热,可以提供-40到150摄氏度工作温度范围之内,全范围可以提供正负0.5摄氏度的温度测量精度。
 
UCC2170_Q1隔离式SiC和IGBT栅极驱动器

汽车或新能源汽车总体的发展方向是更安全、更绿色、更节能。整个汽车设计系统挑战来看,怎么样持续提高功率密度,提高功率使用的效率,这两个角度一直存在设计挑战。为了提高功率密度和提高能源使用效率,也不断有新的技术被引用。

在所有的兴发娱乐变换,或者兴发娱乐到物理、力距变化的过程中,最后功率级的实现都是用传统的IGTB,再功率一点是MOSFET,以及再高功率的IGBT。现在主流的是IGBT,越来越多的碳化硅或氮化镓技术的引入。为了很好地驱动这些大功率的功率级元器件以及代表了新技术方向的功率级器件,就需要更高性能、更安全的栅极驱动器。
 


UCC21710-Q1 评估板


基于新的IGBT和碳化硅功率器件的栅极驱动技术和电源编制,TI同时推出了两个新的关于IGBT和碳化硅的栅极驱动器。UCC21710-Q1是一个带隔离的IGBT或者碳化硅功率管的栅极驱动器,它有几个显著特点:
— 高驱动强度,峰值可达±10A的驱动电流,并且它的驱动是可编程的;
— 在保护方面,响应时间为200ns的过流检测可实现快速的系统保护,让整个系统更安全;
— 系统可靠性强,它是带隔离的,TI利用业界领先的增强型隔离电容隔离技术,延长绝缘层的使用寿命,抗浪涌能力高达12.8千伏。
— 高度集成,减小系统尺寸,通过集成的缓冲器和传感器,减少外部器件,同时使用隔离的模拟脉宽调制传感器,提供精确的温度、电流或电压感测,可以让整个外围电路更加简洁。
 
直流快充的设计挑战,及TI的最新设计参考

 针对电源开关器件,TI近期也推出了最新的产品LM5180-Q1,它是65V直接输入,集成100V/1.5A MOS管、功率管的PSR反激式DC/DC转换器,具有超低静态电流,无需光耦或变压器辅助绕组,由12-V汽车电池直接驱动,以降低中间电源轨发生故障风险,对整个系统成本的降低也是一个帮助。效率上来讲,它可以提供输入电压在很宽的范围之内,输出的电流也是在很宽的范围之内,相当高效,而且线性度非常好的电源转换效率。
 
直流快速充电,从电网到直流快速充电桩,它实际上提供了高压直流电源进去,旁路了汽车里的OBC,直接用一个高压直流电源进入到OBS里对电池组进行充电。直流快速充电功率会从20kV到340kV,这是目前设计实践中常见的功率等级水平。相应的它的直流电压可以到1000V,充电的电流可以到400A,整个充电时间会控制在15-30分钟,这是目前比较常见的设计。在这里,不管是从功率还是高压,还是大电流,还是对于短时间大功率注入电池的时间所带来的安全方面的考量,都是在这个直流充电系统里很大的挑战。这样的设计挑战里就需要充电系统能够提供更高的能量密度,更高的电源转化效率。
 
基于这些直流快速充电的挑战,TI做出的最新参考设计TIDA-010039,它是一个基于碳化硅的三相AC/DC双向转换的参考设计。它的工作效率,电源转换效率可以达到98%,基于碳化硅技术,在目前功率器件技术水平之上可以提供最大化的功率密度和能量密度,满足Combo-1电动汽车充电标准,800V直流充电可以输出高达10kW的输出功率。
 
总结
 
从整个汽车设计系统挑战来看,怎么样持续提高功率密度,提高功率使用的效率,这两个角度来看是一直存在设计挑战的。为了提高功率密度和提高能源使用效率,不断有新的技术被引用。如V2G是当下或下一个技术发展的方向;氮化镓和碳化硅是两个独立发展的比较新兴的技术,这些新兴的技术一方面会快速发展,另一方面会为整个市场带来很多新的技术革新,比如更高的功率密度,更高的电源转换效率。
 
汽车领域上,TI所提供的芯片方案,想达到的最终目标,使得整个新能源汽车变得更加有效率,更加节能和安全。自从有汽车以来,TI一直致力于两个方向的汽车发展:一是怎么把汽车做得更有效率,更节能,这个节能包括传统的汽油、燃油节能,以及后面的电力系统;二是排放,为什么现在全球汽车市场越来越往电气化,包括往可替代的新能源汽车上发展。

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