電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)集成化、模塊化下的芯片演化

從2007年到2021年，中國(guó)汽車行業(yè)一路蓬勃發(fā)展，汽車銷量在2018年階段性見(jiàn)頂。在這個(gè)過(guò)程中，我們看到了合資企業(yè)高速發(fā)展、自主品牌崛起還有新興企業(yè)在電動(dòng)汽車的成長(zhǎng)。目前在汽車行業(yè)大變革時(shí)期對(duì)電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化多重賽道提出了截然不同的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)需求，這使得在競(jìng)爭(zhēng)最激烈的中國(guó)市場(chǎng)，整車企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始打破原先“五年一換代、三年一改款”的開(kāi)發(fā)步調(diào)，目前車企都是在燃油車銷售的基礎(chǔ)，實(shí)施大規(guī)模的投入進(jìn)入電動(dòng)化轉(zhuǎn)型，在軟件側(cè)面進(jìn)行轉(zhuǎn)型。

如下圖所示，我們能看到一個(gè)非常重要的特點(diǎn)，就是動(dòng)力總成和熱管理系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、充電和功率電子和熱管理系統(tǒng)在某種程度上開(kāi)始進(jìn)一步融合發(fā)展，進(jìn)入高集成化階段。這些灰色的部分，都將作為未來(lái)智能電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)部件，在講究規(guī)?；?、集成化的道路上進(jìn)行發(fā)展。

圖1 電動(dòng)汽車的發(fā)展的基礎(chǔ)和拓展

第一部分 動(dòng)力總成方向上的組合？

我們?cè)谇皫啄杲?jīng)歷的整合，主要包括電氣化的動(dòng)力架構(gòu)主要包括車載充電器（OBC）、高電壓DC/DC（HV DCDC）、逆變器（ACDC）和配電單元（PDU）等動(dòng)力系統(tǒng)終端器件。由于這些部件比較多，在平臺(tái)開(kāi)發(fā)的考慮中，可以在機(jī)械、控制或動(dòng)力系統(tǒng)級(jí)別應(yīng)用整合。目前已經(jīng)很清楚的做法，一種是模塊化集成：3+3+3：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（電機(jī)、逆變器、減速器三合一驅(qū)動(dòng)）+電池系統(tǒng)（電池+OBC+DCDC集成），熱管理集成（PTC、壓縮機(jī)和管路、閥），這個(gè)我們已經(jīng)比較熟悉了，這已經(jīng)成為了一個(gè)常規(guī)的做法。往上面更多的集成，如下圖通用汽車在Ultium平臺(tái)“8合1”的高集成電驅(qū)單元，這里包括了電機(jī)、逆變器和減速器，整車控制器、集成PDU、OBC和兩個(gè)DCDC 。

圖2 通用汽車“8合1”的高集成電驅(qū)單元

我們可以看到，隨著競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，想要在規(guī)模上達(dá)到一定的高度，車企就需要在原有的模塊化基礎(chǔ)上做深入的簡(jiǎn)化，把這些部件進(jìn)行集成化形成一個(gè)整體部件，這樣可以帶來(lái)很多的好處：

1. 優(yōu)化三電和電動(dòng)汽車架構(gòu)的特性和效率，可以通過(guò)減少需要總裝的零件數(shù)量，提高總裝的可制造性；通過(guò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以減少高壓連接的線束，合并結(jié)構(gòu)并減少支架，達(dá)到整體減重的目的，最重要的是降低整車層面管理的復(fù)雜度面向未來(lái)考慮，把每個(gè)部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，這樣在集成過(guò)程中，盡可能復(fù)用優(yōu)化成本，整合的過(guò)程，使得成本上有很大的空間

這里我們看到兩個(gè)方向，一個(gè)是從芯片和電路方向方面的不同集成化階段，如之前所說(shuō)的，從不同電氣、結(jié)構(gòu)和控制的層級(jí)來(lái)看，集成化有不同的階段，我們以車載充電機(jī)和DCDC這個(gè)集成為例，這兩個(gè)部件是完全獨(dú)立的。我們最終的目的，是要通過(guò)功能合并，盡可能讓兩個(gè)高度集成的部件在元器件層面上能實(shí)現(xiàn)一定程度的復(fù)用，通過(guò)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)改變電路的一定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化成本的目的。備注：這個(gè)原理框圖出自TI的官方網(wǎng)站TI.COM.CN，上面有關(guān)于這些器件的選型列表。其中，TI超低延遲的 C2000™MCU有助于實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率（最多提高 1 到 2 MHz），以及，由 GaN 等材料制成的寬帶隙開(kāi)關(guān)與經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速柵極驅(qū)動(dòng)器，可大幅度減小元器件尺寸，提高系統(tǒng)效率。第一階段：OBC和DCDC，只是物理上放在一起，兩個(gè)都是獨(dú)立的，也就是如下圖所示，整體的兩個(gè)部件第二階段：兩個(gè)部件使用一個(gè)結(jié)構(gòu)殼體，共享冷卻流道第三階段：控制級(jí)整合，把兩個(gè)部件的控制邏輯部分的電路整合在一起第四階段：在功率拓?fù)鋵用?，?fù)用部分的電路器件（開(kāi)關(guān)器件和磁性器件）

圖3 OBC和高電壓DC/DC轉(zhuǎn)換器不同層級(jí)的整合

也正是從這個(gè)角度來(lái)看，目前從功率器件整合來(lái)看，考慮到車載充電器和高電壓DC/DC的全橋額定電壓相同，可以考慮結(jié)合使用，兩個(gè)部件復(fù)用全橋共享電源開(kāi)關(guān)成為可能。將兩個(gè)變壓器整合在一起即可實(shí)現(xiàn)磁性整合，在高電壓側(cè)具有相同的額定電壓，因此最終可能成為三端變壓器。在這種設(shè)計(jì)下，DCDC低電壓輸出的性能將受限，可以考慮是增加一個(gè)內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器。

圖4 OBC和DCDC的功率層面復(fù)用

第二個(gè)方向，就是控制層面，算法層面的集中化處理。

以之前某品牌集成熱管理的設(shè)計(jì)方向來(lái)說(shuō)，這里不光采用了部件集成，所有部件物理部分集中，將傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)中 12 個(gè)部件集成為一體，采用基板替代原有的 互通管路，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)管路數(shù)量降低 40%、部件數(shù)量降低 10%。最重要的是控制集成，所有部件控制部分集中，壓縮機(jī)、水泵等關(guān)鍵部件的控制系統(tǒng)全部集成至 EDU（Electric Drive Unit）， 這樣的好處在于軟件的擴(kuò)展、升級(jí)和功能優(yōu)化，降低部件電控故障概率，增強(qiáng)各部件生命周期的診斷、 維護(hù)。最重要的是，這是符合未來(lái)的汽車軟件集中化管理發(fā)布的技術(shù)大方向。

圖5 集成熱管理系統(tǒng)

小結(jié)：智能電動(dòng)汽車會(huì)在未來(lái)顛覆整個(gè)行業(yè)，在整個(gè)過(guò)程中，電氣化部件的集成和共用是基礎(chǔ)。在零部件數(shù)量和系統(tǒng)簡(jiǎn)易度方面的優(yōu)勢(shì)是非常地，而且從開(kāi)始的結(jié)構(gòu)整合到電子電氣方面的集成化。隨著軟件控制的逐步發(fā)展，整體智能汽車的發(fā)展節(jié)奏會(huì)更快，更需要芯片和軟件在三電系統(tǒng)的核心支持。

參考文件：

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