芯耀
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從2007年到2021年，中國汽車行業(yè)一路蓬勃發(fā)展，汽車銷量在2018年階段性見頂。在這個過程中，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)在電動汽車的成長。目前在汽車行業(yè)大變革時期對電氣化、智能化、網聯(lián)化、共享化多重賽道提出了截然不同的設計和開發(fā)需求，這使得在競爭最激烈的中國市場，整車企業(yè)已經開始打破原先“五年一換代、三年一改款”的開發(fā)步調，目前車企都是在燃油車銷售的基礎，實施大規(guī)模的投入進入電動化轉型，在軟件側面進行轉型。
如下圖所示，我們能看到一個非常重要的特點，就是動力總成和熱管理系統(tǒng)，包括驅動系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、充電和功率電子和熱管理系統(tǒng)在某種程度上開始進一步融合發(fā)展，進入高集成化階段。這些灰色的部分，都將作為未來智能電動汽車的基礎部件，在講究規(guī)?；?、集成化的道路上進行發(fā)展。
圖1 電動汽車的發(fā)展的基礎和拓展
第一部分 動力總成方向上的組合？
我們在前幾年經歷的整合，主要包括電氣化的動力架構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）等動力系統(tǒng)終端器件。由于這些部件比較多，在平臺開發(fā)的考慮中，可以在機械、控制或動力系統(tǒng)級別應用整合。目前已經很清楚的做法，一種是模塊化集成：3+3+3：驅動系統(tǒng)（電機、逆變器、減速器三合一驅動）+電池系統(tǒng)（電池+OBC+DCDC集成），熱管理集成（PTC、壓縮機和管路、閥），這個我們已經比較熟悉了，這已經成為了一個常規(guī)的做法。往上面更多的集成，如下圖通用汽車在Ultium平臺“8合1”的高集成電驅單元，這里包括了電機、逆變器和減速器，整車控制器、集成PDU、OBC和兩個DCDC 。
圖2 通用汽車“8合1”的高集成電驅單元
我們可以看到，隨著競爭的日趨激烈，想要在規(guī)模上達到一定的高度，車企就需要在原有的模塊化基礎上做深入的簡化，把這些部件進行集成化形成一個整體部件，這樣可以帶來很多的好處：
- 優(yōu)化三電和電動汽車架構的特性和效率，可以通過減少需要總裝的零件數(shù)量，提高總裝的可制造性；通過結構系統(tǒng)，可以減少高壓連接的線束，合并結構并減少支架，達到整體減重的目的，最重要的是降低整車層面管理的復雜度面向未來考慮，把每個部件進行標準化和模塊化，這樣在集成過程中，盡可能復用優(yōu)化成本，整合的過程，使得成本上有很大的空間
這里我們看到兩個方向，一個是從芯片和電路方向方面的不同集成化階段，如之前所說的，從不同電氣、結構和控制的層級來看，集成化有不同的階段，我們以車載充電機和DCDC這個集成為例，這兩個部件是完全獨立的。我們最終的目的，是要通過功能合并，盡可能讓兩個高度集成的部件在元器件層面上能實現(xiàn)一定程度的復用，通過細節(jié)設計改變電路的一定結構實現(xiàn)簡化成本的目的。備注：這個原理框圖出自TI的官方網站TI.COM.CN，上面有關于這些器件的選型列表。其中，TI超低延遲的 C2000™MCU有助于實現(xiàn)更高的開關頻率（最多提高 1 到 2 MHz），以及，由 GaN 等材料制成的寬帶隙開關與經過優(yōu)化的高速柵極驅動器，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，兩個都是獨立的，也就是如下圖所示，整體的兩個部件第二階段：兩個部件使用一個結構殼體，共享冷卻流道第三階段：控制級整合，把兩個部件的控制邏輯部分的電路整合在一起第四階段：在功率拓撲層面，復用部分的電路器件（開關器件和磁性器件）
圖3 OBC和高電壓DC/DC轉換器不同層級的整合
也正是從這個角度來看，目前從功率器件整合來看，考慮到車載充電器和高電壓DC/DC的全橋額定電壓相同，可以考慮結合使用，兩個部件復用全橋共享電源開關成為可能。將兩個變壓器整合在一起即可實現(xiàn)磁性整合，在高電壓側具有相同的額定電壓，因此最終可能成為三端變壓器。在這種設計下，DCDC低電壓輸出的性能將受限，可以考慮是增加一個內置降壓轉換器。
圖4 OBC和DCDC的功率層面復用
第二個方向，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計方向來說，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 個部件集成為一體，采用基板替代原有的 互通管路，實現(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、水泵等關鍵部件的控制系統(tǒng)全部集成至 EDU（Electric Drive Unit）， 這樣的好處在于軟件的擴展、升級和功能優(yōu)化，降低部件電控故障概率，增強各部件生命周期的診斷、 維護。最重要的是，這是符合未來的汽車軟件集中化管理發(fā)布的技術大方向。
圖5 集成熱管理系統(tǒng)
小結：智能電動汽車會在未來顛覆整個行業(yè)，在整個過程中，電氣化部件的集成和共用是基礎。在零部件數(shù)量和系統(tǒng)簡易度方面的優(yōu)勢是非常地，而且從開始的結構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
