電子化開啟汽車新概念時代

　　新的EV和HEV汽車需要兩項基本的技術(shù)：大容量蓄電池和高效的電動馬達。這些技術(shù)需要使用高于到目前為止汽車一直使用的標(biāo)準(zhǔn)12V電壓，現(xiàn)在汽車中具有48V或120V，或288V甚至更高的電壓。這推動業(yè)界開發(fā)經(jīng)優(yōu)化在這些電壓下工作的功率半導(dǎo)體器件。飛兆半導(dǎo)體全球汽車銷售及應(yīng)用副總裁Joseph Notaro認(rèn)為該公司擁有應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的有利條件，提供最廣泛、最全面的功率產(chǎn)品組合(功率MOSFET、IGBT和功率二極管)，涵蓋從30V直到1200V的整個電壓范圍。功率半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的新發(fā)展可以減少功耗和重量，從而推動減少CO2排放，并且提升燃料經(jīng)濟效益。功率半導(dǎo)體技術(shù)的新發(fā)展是電動馬達使用增加的核心(不僅驅(qū)動輔助負(fù)載，并且驅(qū)動主要的牽引逆變器)。

      德州儀器半導(dǎo)體事業(yè)部汽車電子業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理姜輝認(rèn)為，新能源汽車的主要技術(shù)難點在于動力總成，核心應(yīng)用主要包括主電機驅(qū)動，整車控制器以及電池管理。其對MCU的安全性，實時處理以及電機控制都提出較高的要求。TI的TMS570最新推出的產(chǎn)品具有豐富的控制電機的外設(shè)和接口(ePWM、eQEP、eCAP)，能夠更便利地控制電機，同時保障安全性。其高達180MHz主頻、3MB Flash的配置也非常適合整車控制器的應(yīng)用。同時，對于電池管理的安全性要求的提升也使得TMS570‘超值線’廣受青睞。除此之外，TMS570全系列支持AutoSAR操作系統(tǒng)，也使得整車的開發(fā)更加靈活。”

　　同時，成本也需要進一步降低。特別是電池成本很重要，關(guān)乎行駛距離問題。如今缺少的是良好的電池充電基礎(chǔ)設(shè)施。安森美半導(dǎo)體全球汽車電子方案總監(jiān)賀寶康(Herve Branquart)看到，行業(yè)轉(zhuǎn)向新能源汽車的發(fā)展過程也不會太順利，因為政府征收傳統(tǒng)汽車的燃油稅，如果想令電動汽車獲更廣泛的使用，還須顧及如何轉(zhuǎn)報成電力/費的問題。混合動力汽車的未來則更明朗，尤其是在微混合技術(shù)方面，將會使用更小的電池、更小的電動發(fā)動機及熱動發(fā)動機來為電池充電。電能的本地化生產(chǎn)也很重要。混合動力也是非常適合于市區(qū)駕駛的技術(shù)。如果電池與交流主電源之間有低阻抗連接，而且使用相對慢的充電過程，那么插電式混合動力及純電動汽車的能效就能提升至最高。如果摒棄這兩項主要限制條件，能效將始終降低。高能效的感應(yīng)充電方案及快速電池充電技術(shù)的改進還需做更多的工作，但這些汽車中的功率電子電路的能效并非主要障礙。通過汽車行業(yè)合格認(rèn)證的大功率電子的供應(yīng)商數(shù)量未來幾年將需擴大，新的進展將以更低的成本提供同樣提高的能效。在電池監(jiān)測方面，相當(dāng)多的競爭硅方案幾乎無法配合系統(tǒng)要求的不斷變化。IC供應(yīng)商與廣泛的客戶群需要有效的關(guān)乎安全的設(shè)計銜接溝通。最后，電池組的能效與其系統(tǒng)成本將會靠主動式平衡等技術(shù)獲改進。

        德州儀器半導(dǎo)體事業(yè)部汽車電子業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理姜輝指出，電池管理系統(tǒng)(BMS)作為電池蓄能及動力輸出的樞紐，對于HEV/EV系統(tǒng)扮演著相當(dāng)重要的角色。TI提供完整的電動汽車電池管理解決方案組合，在整個寬溫范圍內(nèi)提供量測電壓精準(zhǔn)度以及高噪聲環(huán)境下最可靠的通訊傳輸模式。德州儀器的主動均衡技術(shù)專注于鋰離子電池的雙向隔離電感的均衡。TI在隔離式DC-DC主動均衡技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率高達87%。另外，采用被動均衡方式的明星產(chǎn)品bp76PL455 芯片具備16通道，每路最高5V電壓輸出。目前已被多家車廠采用進入方案設(shè)計驗證階段，尤其適合僅需要小容量電池包的混合動力車。同時，TI是唯一的能提供滿足ISO26262 ASIL-D要求的BMS解決方案的半導(dǎo)體廠商。

　　由串聯(lián)、高能量密度、高峰值功率鋰聚合物或鋰鐵磷酸 (LiFePO4) 電池組成的大型電池組被普遍用于全電動 (EV 或 BEV) 和混合燃?xì)?/ 電動汽車 (HEV 和插電式混合電動汽車或 PHEV)、儲能系統(tǒng) (ESS) 等各種應(yīng)用。據(jù)預(yù)測，電動汽車市場對大規(guī)模串聯(lián) / 并聯(lián)電池組將有很強的需求。PEV 和 EV 銷售在 2012 ~ 2020 年度的復(fù)合增長率 (CAGR) 將達到 37.4%。凌力爾特公司電源產(chǎn)品市場總監(jiān)Tony Armstrong看到，對大容量電池的需求越來越強烈，而電池價格一直非常高，是 EV 或 PHEV 價格最高的組件。對于能行駛幾十公里范圍的電池，其價格通常就要超過 10,000 美元。高成本可以通過使用低成本 / 翻新電池來減輕成本壓力，但這類電池會有較大的容量不匹配問題，這會縮短可使用時間和一次充電后的行駛距離。即使是成本較高、質(zhì)量較好的電池也會老化，不斷重復(fù)使用會導(dǎo)致電池失配。要提高不匹配電池的電池組容量，可以通過兩種方式來實現(xiàn)：開始時采用較大的電池，但這樣做非常不符合成本效益;或采用主動平衡技術(shù)，這一新技術(shù)能夠恢復(fù)電池組的電池容量，有快速上升的勢頭。　　

             

　　當(dāng)一個電池組中的每節(jié)電池具備相同的電荷狀態(tài) (SoC) 時，這些電池就是“平衡”的。SoC 指的是每一電池隨著它的充電和放電，相對于其最大容量的剩余容量。在電動型汽車和電網(wǎng)存儲系統(tǒng)中，這些數(shù)值是典型的SoC 限制，電動型汽車和電網(wǎng)存儲系統(tǒng)使用非常大和非常昂貴的電池，更換費用極高。電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要作用是，仔細(xì)監(jiān)視電池組中的所有電池，確保每一節(jié)電池的充電或放電都不超出該應(yīng)用充電狀態(tài)限制的最小值和最大值。

　　測試的挑戰(zhàn)

　　汽車電子測試系統(tǒng)越來越需要突破性的解決方案，來降低測試成本，為廠商提供更強的競爭優(yōu)勢。汽車電子的系統(tǒng)及部件也越來越多，競爭也越來越大，最為突出的就是成本的降低。汽車電子作為智能嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用，是當(dāng)前汽車設(shè)計中新的推動力量。每秒做出數(shù)千個決策的各種復(fù)雜嵌入式設(shè)備的采用，使最新的安全和效率技術(shù)成為可能。不管是設(shè)計簡單地調(diào)節(jié)鏡子的系統(tǒng)，還是設(shè)計監(jiān)控并行混合動力裝置的系統(tǒng)，都離不開嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。嵌入式設(shè)備的使用及在整個車輛中傳送關(guān)鍵信息，使得設(shè)計、調(diào)試和檢驗汽車的這些設(shè)計所需的測試過程的復(fù)雜程度都提高了。而更低成本的嵌入式系統(tǒng)測量測試技術(shù)來使汽車生產(chǎn)商獲得更多競爭優(yōu)勢，并使其獲得更加廣泛的應(yīng)用。

　　泛華恒興ATE方向技術(shù)主管闞宏偉介紹，為了減少開發(fā)周期、降低測試成本，仿測一體技術(shù)將得到更廣泛和深入的應(yīng)用，尤其在汽車發(fā)動機電控單元開發(fā)過程中。通過這種技術(shù)，在設(shè)計階段就可以通過各種模型仿真實際汽車使用工況，測試硬件輸出狀態(tài)，使問題暴露在設(shè)計開發(fā)階段。對汽車電子零部件來說，復(fù)雜性越來越高，例如汽車點火線圈越來越多的采用多點點火技術(shù)，即在一個氣缸做功行程，多次點火使油氣混合物能夠更充分的燃燒，提高發(fā)動機效率并能有效的降低排放。點火線圈測試中點火波形參數(shù)是非常重要的判據(jù)，點火波形頻率的提高對測量系統(tǒng)波形的捕獲能力和計算分析能力提出了更高的要求，采用泛華PXI總線設(shè)備，保證硬件高速采集，然后通過軟件對波形分析處理能夠很好的解決這個問題。

　　汽車傳感器是汽車的鼻子、耳朵和眼睛，是汽車智能化和電子化的基礎(chǔ)，有著廣泛的應(yīng)用前景。汽車傳感器測試最大的挑戰(zhàn)是物理環(huán)境的創(chuàng)建，比如氧傳感器測試需要有不同配比的氣體介質(zhì)模擬汽車尾氣成分，爆震傳感器需要提供振動源模擬汽車發(fā)動機體的振動狀態(tài)…并且汽車上的電磁環(huán)境、溫度環(huán)境是多樣和復(fù)雜的，這些往往都需要在測試系統(tǒng)中能夠模擬，進行復(fù)合測試。泛華汽車傳感器驗證平臺針對整車廠家和零部件廠的應(yīng)用需求，可以對汽車上常用的傳感器，如輪速、曲軸、凸輪軸、壓力、溫度、油位等，進行性能測試和高低溫環(huán)境下的耐久性測試，且可以達到汽車上極限使用狀態(tài)，如模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速到10000RPM，使用環(huán)境溫度-40℃。

　　隨著混合動力汽車的發(fā)展，更高效的逆變技術(shù)、傳動系統(tǒng)和電動轉(zhuǎn)向(EPS)等技術(shù)的應(yīng)用，越來越需要完善的測試工具，以迅速簡便地對動力進行系統(tǒng)測試。這將對汽車電子的測量項目提出新的挑戰(zhàn)，例如：功率器件、磁性器件的能耗、效率、安全工作條件及系統(tǒng)對負(fù)荷變化和RF瞬態(tài)信號的響應(yīng)，當(dāng)然這只是其中一小部分。所以完善的系統(tǒng)、器件分析測試工具是解決這些挑戰(zhàn)的方案之一。泰克公司中國區(qū)行業(yè)渠道電力電子開發(fā)經(jīng)理王躍偉認(rèn)為，該公司的汽車電子測試方案如示波器、高壓/電流探頭、功率測量軟件和參數(shù)測試以及最新的功率分析儀可以很好地應(yīng)對這方面的測試挑戰(zhàn)。

　　電機是新能源汽車的主要動力來源，其在新能源汽車中的應(yīng)用也為嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)人員和測試工程師帶來了新的挑戰(zhàn)，速度便是其一。電子驅(qū)動引擎控制單元(ECU)控制算法的運行速度必須遠快于內(nèi)部燃燒引擎的動力傳達ECU。更快的速度需求使得傳統(tǒng)的HIL測試不足以支持測試電機ECU。而電機的仿真必須具備高仿真精度，HIL測試系統(tǒng)則必須在1 µs的時間內(nèi)執(zhí)行仿真模型，以充分顯示電機的實際操作。之前，高精度仿真和高速度運行似乎不可能并存，許多測試工程師不得不因此采用更為昂貴的測功器或現(xiàn)場測試來驗證他們的嵌入式軟件。

　　JSOL公司與NI合作開發(fā)了用于NI VeriStand的JMAG附加軟件模塊，JSOL是JMAG機電設(shè)計和開發(fā)仿真軟件的締造者。該附加軟件模塊使用由FEA生成的電感與反電動勢(EMF)數(shù)據(jù)，進行電機模型的實時仿真。由于電機結(jié)構(gòu)的不對稱性會產(chǎn)生非正弦通量和電流，經(jīng)典的D-Q模型就不再適用，這時就需要采用FEA技術(shù)。混合動力汽車制造商采用了高速電機，這對于優(yōu)化生產(chǎn)空間和成本來說十分重要。