該電動汽車（EV）市場仍面臨兩個挑戰顯著：成本和練習場。后者被認為是完全采用電動汽車的主要趨勢。降低成本和提高系統效率的一種方法是集成動力總成。在接受《電力電子新聞》采訪時，德州儀器 （TI） 動力總成系統總經理 Karl-Heinz Steinmetz 指出，內燃機汽車和電動汽車之間的成本差距仍然很大（約 10，000 歐元）。不過，如果您查看考慮購買電動汽車的消費者數量，您會發現這種趨勢非常有趣。新半導體技術的出現將提高電動汽車系統的整體效率。

電動汽車的動力系統涉及多種解決方案，從車載充電器到電池及其管理系統。今天的電池推動了整體成本，這主要取決于每個電池及其機械保護外殼的成本。電池的大小是自主性和成本之間的折衷：更多的電池意味著更多的自主性，但同時也意味著更多的成本。“在電池尺寸方面必須有一個很好的妥協。整個方程中有幾個變量；當然，今天的電池更貴了，但我們還需要考慮其他方面，”Steinmetz 說。

混合動力和 EV 動力系統將電池、DC/DC 轉換器、車載充電器和牽引逆變器安裝在單獨的外殼中。模擬和嵌入式計算技術的進步現在允許設計人員使用單個域控制器和功率級來組合這些系統——這有助于設計人員在降低成本的同時提高效率和可靠性——并滿足功能安全標準。

他補充說：“目標是整合所有級別的動力系統。這可以降低成本、簡化設計、簡化功能安全并提高可靠性。所以基本上，它是通過簡化設計來降低成本。當然，功能安全是與可靠性密切相關的一個重要因素。“如果您通過集成多個應用程序來簡化設計，那么您的零件就會更少，從而降低成本，但同時會出現故障的零件也會更少。因此，您可以通過提高系統效率來改進方程式并延長行駛里程，”Steinmetz 說。

電力系統

動力總成系統由幾種不同的解決方案組成。集成不僅需要將這些解決方案放在一起，從而消除整個系列的 PCB 連接器，還需要一種新的布局思維方式。

“作為一個例子，讓我們看一個內置 PFC 級的車載充電器 （OBC），然后是一個高壓 DC-DC，它基本上遵循電池的充電曲線。現在，如果您沒有單獨的 DC-DC，而是將板載充電器與 DC-DC 功能集成在一起，您就可以省去一個功率級和一個半橋。擺脫半橋是一個成本因素。但這也是一個性能和效率因素，”Steinmetz 說。

另一點需要考慮的是寬帶隙 （WBG） 技術，例如車載充電器和 DC-DC 中的氮化鎵。通過提高開關頻率并受益于這些半導體的特性，可以通過縮小所有部件來優化尺寸，同時提供出色的熱性能。在WBG方面，Steinmetz指出碳化硅主要用于牽引逆變器，在那里你有高電壓和大電流的組合，而在看車載充電器等領域，你也有高電壓但合理的電流要求， GaN 是首選。

圖 1：電動汽車動力總成（來源：TI）

一體化

集成涉及細致的設計以及對安全概念和潛在相互作用的透徹理解。集成還減少了對多余包裝材料的需求并消除了冗余硬件，從而顯著降低了系統的重量和體積。“在電動汽車和插電式混合動力汽車中，最常見的集成是我們所說的二合一選項，即將車載充電器和 DC-DC 集成到一個盒子中，”Steinmetz 說。每一公斤都是效率方程式的重要組成部分，因此，減輕重量可以提高整體效率，并在充滿電的情況下走得更遠。

電動汽車的傳統架構如圖1所示：可以看到微控制器支持的電池管理系統和電壓電流監控電路。接下來是帶有自己的車載充電器和牽引逆變器的獨立 DC-DC。然而，正如 Steinmetz 解釋的那樣，圖 2 中顯示的集成架構強調了 EDCU（擴展域控制單元）作為支持其他標準化接口的電池管理系統。“因此電池管理單元中不再有 MCU，新的 EDCU 包括 VCU（車輛控制單元）和 BCU（電池控制單元），”Steinmetz 說。

圖 2：電動汽車的傳統架構（來源：TI）

圖 3：TI 提出的集成架構（來源：TI）

使集成推進架構成為現實還需要實時微控制器 （MCU） 來處理復雜的電源轉換需求。C2000 MCU 的超低延遲有助于實現高達 1 或 2 MHz 的更高開關頻率，這意味著電感器和電容器等外部組件更小。實時 MCU 可以在高度集成的設計中執行數字電源和電機控制，以提高效率，同時節省寶貴的空間。C2000 實時微控制器提供高達 925 MIPS 以及集成推進架構所需的必要脈寬調制端口和模擬輸入。

“除了短路保護等集成數字保護功能外，C2000 MCU 還具有片上比較器，可提供高速、30 ns 的輸入或輸出信號觸發。C2000 MCU 提供了微控制器中最快的比較器速度之一。替代解決方案可能會使用外部比較器，這可能會提供更快的響應時間，但無法提供足夠的閂鎖信號來實現用于感測、診斷、保護和故障狀態機的高級機制，而 C2000 MCU 可以支持內部閂鎖信號多達 111 個通道。由于 MCU 中的比較器直接與高分辨率 PWM 相關聯，因此 C2000 MCU 可為實時控制回路提供精確的數據捕獲和快速響應時間，”Steinmetz 說。

除了實時控制，提高效率的創新還包括更高功率密度的管理。采用符合汽車標準的氮化鎵 （GaN） 技術等技術的電動汽車可以通過以更高的效率運行和節省熱能來幫助延長行駛里程。這意味著更少的冷卻組件和更低的成本。

GaN 是一種用途極為廣泛的半導體材料，可以在高溫和高壓下工作——有助于有效滿足各種通信和工業設計的要求。電動汽車領域的挑戰之一是快速高效的充電。GaN 技術可以提供快速充電，以更高效的方式使用能源。

GaN FET 解決方案將使功率密度增加一倍，同時通過集成柵極驅動器提供約 60% 的尺寸減小和高達 2.2 兆赫的開關速度。在大規模電源系統中，由于工藝技術不同，“標準”FET 與其柵極驅動器分開使用。這會產生額外的寄生電感，限制 GaN 的開關性能。共源電感顯著增加了開關損耗。TI 提供的 GaN FET 不僅具有集成的柵極驅動器，還具有溫度傳感器，可實現有源電源管理以動態優化系統的熱性能。

“截至今天，我們看到 GaN 正在取代硅解決方案，但我們也看到第一個 GaN 解決方案正在開發中，以取代第一代碳化硅 （SiC），專門用于車載充電器和 DC/DC，”Steinmetz 說。

集成動力系統架構更可靠，因為可能損壞的部件更少。除了集成系統的固有優勢之外，確保電動汽車高壓電池環境的可靠性還需要強大的保護和峰值熱性能。Steinmetz 指出，集成診斷也是安全方程式的重要組成部分，可以幫助推進系統滿足 ASIL D 要求，這是道路車輛的最高功能安全級別，也是電動汽車制造商面臨的主要挑戰。TI 提供的參考設計已經過 TüV SüD 的獨立評估，可以幫助定制動力系統。