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左：張磊，德州儀器（TI）中國區(qū)汽車業(yè)務(wù)部總經(jīng)理
右：師英，德州儀器（TI）中國區(qū)汽車電子技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理

汽車電氣化的技術(shù)趨勢及TI的戰(zhàn)略布局
 
電子化為汽車作到了所謂“新三化”功能，汽車會更智能、更有效率、更加安全，也會更綠色。按照汽車電子系統(tǒng)發(fā)展的演進(jìn)，汽車新的應(yīng)用又呈現(xiàn)出很多創(chuàng)新的潮流趨勢。不過，所有電氣化的目的本質(zhì)上都是為了加速電力汽車和電動動力總成系統(tǒng)的創(chuàng)新，加速電動汽車和動力總成設(shè)計(jì)，減少排放，減輕重量級并通過減少機(jī)械部件從而提高汽車效率。
 
作為半導(dǎo)體元器件供應(yīng)商，TI在全球30多個(gè)國家有10萬多客戶，銷售10萬多種產(chǎn)品。在最傳統(tǒng)的被動安全系統(tǒng)，即ABS系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)，TI占有非常大的市場份額。隨著汽車電子化不斷推進(jìn)，TI的戰(zhàn)略布局也有了新的調(diào)整。目前，TI的整個(gè)方向是在致力于做好器件供應(yīng)商本職工作之外，更多的精力則放在致力于作為系統(tǒng)級解決方案的供應(yīng)商。
 
1、先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS系統(tǒng)）。汽車處理級芯片可以把整個(gè)ADAS系統(tǒng)應(yīng)用不斷地先前演進(jìn)。現(xiàn)在配裝率越來越高的功能體現(xiàn)在自動泊車和盲點(diǎn)檢測，TI在這方面有比較成熟的方案，比如77G毫米波雷達(dá)，除此之外，TI還致力于在無人駕駛Leve4以及更高技術(shù)的研發(fā)和儲備。

2、汽車電子和照明。傳統(tǒng)汽車照明從原名的鹵素?zé)舻诫瘹鉄簦F(xiàn)在的技術(shù)往LED發(fā)展越來越變成主流。LED方面，TI有很多方案，尤其在照明方面，TI有自己獨(dú)創(chuàng)而且獨(dú)有的技術(shù)，TI基于這個(gè)技術(shù)可以提供整個(gè)汽車業(yè)內(nèi)唯一的100萬像素的前燈方案，可以提供很多不同的體驗(yàn)，投射非常多的交通標(biāo)志和圖形。

3、信息娛樂系統(tǒng)和集群信息交換系統(tǒng)。將比較傳統(tǒng)的娛樂導(dǎo)航系統(tǒng)和模擬儀表盤系統(tǒng)結(jié)合是現(xiàn)在最流行的汽車娛樂和信息系統(tǒng)的交互方式，隨著整個(gè)技術(shù)的演進(jìn)，整個(gè)系統(tǒng)會從模擬儀表盤越來越向數(shù)字儀表盤過程，以后會看到越來越多的TI DLP抬頭顯示在配裝里越來越高。TI致力于從傳統(tǒng)的組合，即娛樂系統(tǒng)和信息建設(shè)、面板系統(tǒng)的組合更多地往駕駛座艙一體式娛樂信息、交互系統(tǒng)去發(fā)展，使得整個(gè)駕乘體驗(yàn)和駕駛安全性更加好。

4、新能源汽車和動力汽車。從傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)（ICE）到雙混的混合動力汽車（HEV）到電動汽車（EV），汽車動力學(xué)上，一直都致力于怎樣提高整車的效率。整個(gè)行業(yè)都是圍繞著減排節(jié)能在做非常多的不同的創(chuàng)新。輕混上，在自動啟停上能夠完成能量的回收，使整個(gè)燃油效率更高；純電動汽車上也有新技術(shù)，就是電動扭矩輔助，使汽車在同樣輸出的效率上它的推動力更強(qiáng)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。在這個(gè)領(lǐng)域上，TI所提供的芯片方案，想達(dá)到的最終目標(biāo)，是使得整個(gè)新能源汽車變得更加有效率，更加節(jié)能和安全。
 

汽車的發(fā)展其實(shí)是汽車引擎的發(fā)展
 
一個(gè)汽車的發(fā)展其實(shí)也是汽車引擎的發(fā)展，也就是通過汽車引擎的發(fā)展我們走向零排放的發(fā)展。汽車從輕混合、中混到現(xiàn)在往完全混合和插電式混合發(fā)展，越來越多的汽車是從雙擎內(nèi)燃機(jī)加上電力馬達(dá)兩個(gè)驅(qū)動引擎往純電動方向發(fā)展。怎樣提高電力發(fā)動機(jī)馬達(dá)的效率，讓板上充電的時(shí)間更短；怎么計(jì)算形勢里程精度，這是純電動汽車非常關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)，因?yàn)樗鼪]有一個(gè)備份傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)。
 
現(xiàn)在汽車有四大最重要動力引擎，是保證整個(gè)系統(tǒng)能夠高效、節(jié)能、綠色、運(yùn)營的基本。
— INV電力動力輸入系統(tǒng)：怎么樣使電力轉(zhuǎn)化成動力的主要轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
— DC/DC板上電源管理系統(tǒng)：是整個(gè)Powertrain系統(tǒng)，純電系統(tǒng)下非常重要的管理系統(tǒng)。
— BWS：電池管理充放電，電池管理的精度測量。
— OBC板上的充電系統(tǒng)：現(xiàn)在純電車以及插電式混合，需要板上充電系統(tǒng)能保持它對電池充電非常有效率。
 
TI的主要產(chǎn)品包括模擬和嵌入式處理，在這兩個(gè)方面有持續(xù)不斷的很多創(chuàng)新總體是朝著更高效，更安全，更環(huán)保的方向提供精密的監(jiān)控和保護(hù)。如開篇所提，TI現(xiàn)在致力于作為系統(tǒng)級解決方；案的供應(yīng)商，目前在TI的官網(wǎng)上，提供有很多的“參考設(shè)計(jì)”，基于汽車領(lǐng)域的系統(tǒng)參考涉及有340，涵蓋ADAS、Infortainment、BODY和Lighting、被動系統(tǒng)（包括VE/HEV），其中EV/HEV下面有四大系統(tǒng)，包括OBC、DC/DC、Traction invert和BMS。汽車的設(shè)計(jì)實(shí)際是非常長期的過程，如果改設(shè)計(jì)是個(gè)非常大的工程。TI基于參考設(shè)計(jì)會提供一些全套的系統(tǒng)解決方案，能夠有效降低設(shè)計(jì)人員的門檻，把設(shè)計(jì)周期減少，能夠從原廠提供更多放心的報(bào)告。

BQ79606-A新能源汽車電池管理系統(tǒng)
 
基于TI BQ79606-A新能源汽車電池管理系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)，可以提供新能源汽車從12V電池系統(tǒng)到400V電池系統(tǒng)，甚至還可以再往上擴(kuò)展到800V、1.5KV。電池串?dāng)?shù)來講，一部汽車里電池系統(tǒng)會有很多種可能性，第一種是12V，這是每部車子都有的，而且傳統(tǒng)上是鉛酸電池；第二，48V電池，在中混情況下會引入一個(gè)48V電池；第三，400V，一般情況下HEV和EV大部分的工作電壓都是400V。下一步電池系統(tǒng)有可能會做到800V。
 

BQ79606-A新能源汽車電池管理系統(tǒng)

 BQ79606-Q1這個(gè)參考設(shè)計(jì)基于BQ79606系統(tǒng)，它有很獨(dú)特的特點(diǎn)。主要體現(xiàn)在以下幾方面：
1、支持電氣化傳動系統(tǒng)中的大型電池組配置。每個(gè)BQ79606是6個(gè)通道的，可以測量6個(gè)電芯的電壓。通過菊花鏈的堆疊技術(shù)，它可以讓整個(gè)系統(tǒng)支持到48V、400V、800V甚至1.5KV電池包的模組。
2、多個(gè)cell電壓同步精確測量：在所有的電池管理技術(shù)方案里，比較特別的特點(diǎn)，對于多個(gè)電池核心，它的電壓測量是同步進(jìn)行的，即每一個(gè)通道都是對應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的ADC，就是模擬開關(guān)，它可以同步采樣。這樣的好處是后面電池做SOC（充電管理算法）的時(shí)候會提供很大的便利性，同時(shí)對精度也是很大的提升。
3、12V、48V至400V、800V至1.5kV范圍實(shí)現(xiàn)極高測量精度（<1%誤差）。這是一個(gè)非常高的指標(biāo)。
4、集成輔助ADC，可在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)監(jiān)控電芯溫度。具有集成保護(hù)的6通道精密電池監(jiān)視器，每一個(gè)通道都是同步測量的。同時(shí)在每一個(gè)BQ79606芯片里，單獨(dú)以電芯、電壓測量的獨(dú)立輔助ADC。在電池包設(shè)計(jì)的時(shí)候，溫度是非常重要的，電池包工作不管是過低還是溫度過高都是有風(fēng)險(xiǎn)的。一個(gè)單獨(dú)輔助的集成ADC可以提供單獨(dú)溫度測量通道。
5、小外形尺寸：20mm x 40mm解決方案
6、最高安全等級：幫助達(dá)到道路車輛標(biāo)準(zhǔn)安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262的最高安全目標(biāo)，即ASIL D級。
 
BMS最主要的是計(jì)量芯片，周邊的是通信芯片，溫度傳感器等，有非常多的系統(tǒng)。現(xiàn)在電池包的模組化越來越靈活，在電池包的設(shè)計(jì)上，電池包分解成模組的話，這里的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是，當(dāng)模組串的越多，通訊的衰減、通訊的可靠性是最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。隨著模組串的增多，通訊性能的衰減甚至極有可能到達(dá)有問題的地步，這是衡量它的指標(biāo)或者衡量它的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
 
通常，現(xiàn)在的電池包采用的常用通信方式有兩種，一種是菊花鏈，一種是CAN的Network。BQ79606采用的是菊花鏈的通信方式。傳統(tǒng)的菊花鏈只是把信號直接傳遞，原樣傳遞，TI在此基礎(chǔ)上又做出了兩個(gè)很重要且獨(dú)特的技術(shù)創(chuàng)新。第一，它的信號傳遞是通過整形以后再傳給下一級，所以它對菊花鏈整個(gè)通信的可靠性，即使信號從第一級傳到最后一級，它的波形是不會發(fā)生很大的降級，這就保證了在復(fù)雜的噪聲環(huán)境里，它的通訊可靠性以及鏈路整個(gè)可靠性；第二，它提供一條回路（回環(huán)），整個(gè)菊花鏈不是一條線串出去到and就結(jié)束的，而是有進(jìn)有出串回來，這樣當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)斷的時(shí)候可以從另外一條回環(huán)的路回來。再回到CAN的Network，它是每個(gè)測量單元旁邊放一顆MCU，這個(gè)MCU讀取DMS芯片的數(shù)值，再通過這個(gè)MCU把整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)把所有節(jié)點(diǎn)都串起來。菊花鏈相對CAN的Network來講，最主要的優(yōu)勢是整個(gè)系統(tǒng)成本要低。因?yàn)樵诰栈ㄦ湹耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)里是不需要那個(gè)額外的單片機(jī)和額外的CAN的Transceiver，相應(yīng)的電源也會減少。

TMP235_Q1高精度溫度傳感器
 
在新能源汽車里，不管是在Traction invert動力牽引的馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)還是BMS，或是在DC/DC、OBC，這些電子電氣化設(shè)備里都會有千瓦級的功率流過這些器件，這帶來的熱的問題是非常顯著的。熱會帶來兩個(gè)問題：過熱會損壞一些精密的電路系統(tǒng)，更糟糕的情況，可能造成車輛的損壞。在這種情況下，不管是在任何一個(gè)部件里，溫度的監(jiān)測和保護(hù)都是非常重要的。

TPM235-Q1 溫度特性曲線

 
所有的半導(dǎo)體器件，它的特性會隨著溫度和壽命的變化而有所變化。這個(gè)變化可以根據(jù)它的特性和材料、工藝都會有區(qū)別。在線路板上很多電子的熱，當(dāng)前的控制技術(shù)還是靠半導(dǎo)體的溫度傳感器。TPM235-Q1芯片是TI目前精度最高的一個(gè)溫度傳感器，用于動力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在千瓦級的功率等級下，保護(hù)動力總成系統(tǒng)免于過熱，可以提供-40到150攝氏度工作溫度范圍之內(nèi)，全范圍可以提供正負(fù)0.5攝氏度的溫度測量精度。
 
UCC2170_Q1隔離式SiC和IGBT柵極驅(qū)動器

汽車或新能源汽車總體的發(fā)展方向是更安全、更綠色、更節(jié)能。整個(gè)汽車設(shè)計(jì)系統(tǒng)挑戰(zhàn)來看，怎么樣持續(xù)提高功率密度，提高功率使用的效率，這兩個(gè)角度一直存在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了提高功率密度和提高能源使用效率，也不斷有新的技術(shù)被引用。

在所有的電子變換，或者電子到物理、力距變化的過程中，最后功率級的實(shí)現(xiàn)都是用傳統(tǒng)的IGTB，再功率一點(diǎn)是MOSFET，以及再高功率的IGBT。現(xiàn)在主流的是IGBT，越來越多的碳化硅或氮化鎵技術(shù)的引入。為了很好地驅(qū)動這些大功率的功率級元器件以及代表了新技術(shù)方向的功率級器件，就需要更高性能、更安全的柵極驅(qū)動器。
 

UCC21710-Q1 評估板

基于新的IGBT和碳化硅功率器件的柵極驅(qū)動技術(shù)和電源編制，TI同時(shí)推出了兩個(gè)新的關(guān)于IGBT和碳化硅的柵極驅(qū)動器。UCC21710-Q1是一個(gè)帶隔離的IGBT或者碳化硅功率管的柵極驅(qū)動器，它有幾個(gè)顯著特點(diǎn)：
— 高驅(qū)動強(qiáng)度，峰值可達(dá)±10A的驅(qū)動電流，并且它的驅(qū)動是可編程的；
— 在保護(hù)方面，響應(yīng)時(shí)間為200ns的過流檢測可實(shí)現(xiàn)快速的系統(tǒng)保護(hù)，讓整個(gè)系統(tǒng)更安全；
— 系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，它是帶隔離的，TI利用業(yè)界領(lǐng)先的增強(qiáng)型隔離電容隔離技術(shù)，延長絕緣層的使用壽命，抗浪涌能力高達(dá)12.8千伏。
— 高度集成，減小系統(tǒng)尺寸，通過集成的緩沖器和傳感器，減少外部器件，同時(shí)使用隔離的模擬脈寬調(diào)制傳感器，提供精確的溫度、電流或電壓感測，可以讓整個(gè)外圍電路更加簡潔。
 
直流快充的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，及TI的最新設(shè)計(jì)參考

 針對電源開關(guān)器件，TI近期也推出了最新的產(chǎn)品LM5180-Q1，它是65V直接輸入，集成100V/1.5A MOS管、功率管的PSR反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有超低靜態(tài)電流，無需光耦或變壓器輔助繞組，由12-V汽車電池直接驅(qū)動，以降低中間電源軌發(fā)生故障風(fēng)險(xiǎn)，對整個(gè)系統(tǒng)成本的降低也是一個(gè)幫助。效率上來講，它可以提供輸入電壓在很寬的范圍之內(nèi)，輸出的電流也是在很寬的范圍之內(nèi)，相當(dāng)高效，而且線性度非常好的電源轉(zhuǎn)換效率。
 
直流快速充電，從電網(wǎng)到直流快速充電樁，它實(shí)際上提供了高壓直流電源進(jìn)去，旁路了汽車里的OBC，直接用一個(gè)高壓直流電源進(jìn)入到OBS里對電池組進(jìn)行充電。直流快速充電功率會從20kV到340kV，這是目前設(shè)計(jì)實(shí)踐中常見的功率等級水平。相應(yīng)的它的直流電壓可以到1000V，充電的電流可以到400A，整個(gè)充電時(shí)間會控制在15-30分鐘，這是目前比較常見的設(shè)計(jì)。在這里，不管是從功率還是高壓，還是大電流，還是對于短時(shí)間大功率注入電池的時(shí)間所帶來的安全方面的考量，都是在這個(gè)直流充電系統(tǒng)里很大的挑戰(zhàn)。這樣的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)里就需要充電系統(tǒng)能夠提供更高的能量密度，更高的電源轉(zhuǎn)化效率。
 
基于這些直流快速充電的挑戰(zhàn)，TI做出的最新參考設(shè)計(jì)TIDA-010039，它是一個(gè)基于碳化硅的三相AC/DC雙向轉(zhuǎn)換的參考設(shè)計(jì)。它的工作效率，電源轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到98%，基于碳化硅技術(shù)，在目前功率器件技術(shù)水平之上可以提供最大化的功率密度和能量密度，滿足Combo-1電動汽車充電標(biāo)準(zhǔn)，800V直流充電可以輸出高達(dá)10kW的輸出功率。
 
總結(jié)
 
從整個(gè)汽車設(shè)計(jì)系統(tǒng)挑戰(zhàn)來看，怎么樣持續(xù)提高功率密度，提高功率使用的效率，這兩個(gè)角度來看是一直存在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的。為了提高功率密度和提高能源使用效率，不斷有新的技術(shù)被引用。如V2G是當(dāng)下或下一個(gè)技術(shù)發(fā)展的方向；氮化鎵和碳化硅是兩個(gè)獨(dú)立發(fā)展的比較新興的技術(shù)，這些新興的技術(shù)一方面會快速發(fā)展，另一方面會為整個(gè)市場帶來很多新的技術(shù)革新，比如更高的功率密度，更高的電源轉(zhuǎn)換效率。
 
在汽車領(lǐng)域上，TI所提供的芯片方案，想達(dá)到的最終目標(biāo)，使得整個(gè)新能源汽車變得更加有效率，更加節(jié)能和安全。自從有汽車以來，TI一直致力于兩個(gè)方向的汽車發(fā)展：一是怎么把汽車做得更有效率，更節(jié)能，這個(gè)節(jié)能包括傳統(tǒng)的汽油、燃油節(jié)能，以及后面的電力系統(tǒng)；二是排放，為什么現(xiàn)在全球汽車市場越來越往電氣化，包括往可替代的新能源汽車上發(fā)展。