电动汽车动力总成技术

汽车行业从两方面推动提高燃油效率和降低二氧化碳排放量，这对支持这些平台所需的传感系统以及电池管理系统和动力系统的各个方面提出了许多技术挑战。

为了在给定电池容量的情况下最大化每次充电的行驶里程，整个电源转换链必须尽可能实现最高效率。在下一代电动汽车和自动驾驶路线图虚拟会议的小组讨论中，三位行业专家研究了电动汽车制造商、原始设备制造商和一级供应商面临的动力总成挑战。ADI 公司电池管理系统总经理 Mike Kultgen 参加了 EE Times/Power Electronics 的讨论；安森美半导体全球汽车战略和业务发展副总裁 Joseph Notaro；Allegro MicroSystems 技术和产品高级副总裁 Mike Doogue。以下是他们谈话中的一些亮点。

电力技术

EE Times/电力电子新闻：电动汽车革命正在加速迈向更可持续的未来。EV 电池和推进系统是提高车辆设计性能的关键。相关的设计参数是车辆动力总成系统中的功率水平、转换效率、工作温度、热能耗散能力和系统封装。您如何看待这些领域的进展和挑战？

Mike Doogue：市场正在迅速从内燃机动力系统过渡到电气化动力系统。所以，很明显，在电力系统中，测量电流是一件非常重要的事情。Allegro 的电流传感器帮助我们的客户提高效率、扩大范围并提高汽车的性能。

我们使用磁原理来测量电流，因此我们实际上测量的是载流导体产生的磁场。因此，我们实际上不需要与该导体建立电气连接，因此我们可以感测位于接地电位或 800 伏特的导体上的电流水平，从小到非常大的电流。当您使用电流隔离进行感应时，IC 本身确实不知道您感应的节点上的电压差异，因为您没有将半导体器件与该节点进行电气连接。它为我们的设备提供了很大的灵活性，不仅在工作电压方面；我们可以以相当高的精度测量低至 1 安培到 4,000 多安培的电流。与基于分流器和放大器的解决方案相比，我们可以提供具有更低欧姆热损耗的解决方案，尤其是需要光隔离器的解决方案。我们在 IC 中内置了隔离功能，它们被用来帮助提高性能，[在设计中] 从逆变器到充电器、DC/DC 和电池管理系统。

Mike Kultgen：确实有三类兴趣。有动力系统，其中电池是该系统的主要组成部分。有自动驾驶或 ADAS，您确实需要高效、低噪声和紧凑的电源。然后，当然，还有机舱体验；无论是音频还是平视显示器，都需要降噪。电动汽车正在真正改变车内体验。专注于动力系统方面，我的业务主要在电池领域，我们尝试做的是安全地最大化电池组的能量吞吐量，因为这真正转化为客户体验，即更长的行驶里程, 更快的充电，甚至更低的成本，如果你能用更少的电池获得更多的里程。

因此，在电池领域有很多有趣的问题需要解决。它主要是电池测量，[例如，] 试图在 800 伏共模电压之上提取 4 伏电池电压，并获得 1 毫伏的分辨率。可能有数百伏的瞬变；电池内部的环境非常困难，非常恶劣。还有其他动力系统应用：逆变器、车载充电器。我们提供围绕开关的东西，随着该业务向碳化硅过渡，将需要专门的栅极驱动器；总是需要隔离的电源。对于舱内体验，处理能力不断提高，对这些设备供电的要求也在不断提高。然后再次，

Joseph Notaro：我们专注于 ADAS/自动驾驶和电动汽车。在 ADAS/自动驾驶中，我认为问题在于我们如何生成数据、操纵数据、移动数据，而在 EV 中，我们实际上如何管理能源？所以，能量实际上是由动力驱动的。而这正是重点所在。因为今天，从事汽车行业是令人兴奋的，尤其是电动汽车。真正的挑战在于技术。我们如何获得更好的材料和更好的电池？我们如何真正更好地管理能源，降低成本，同时解决消费者面临的充电和里程焦虑等挑战？第二个方面是基础设施。

因此，我们的使命是创造节能半导体，帮助世界变得更绿色、更安全、更包容和更互联。这是基于两个支柱。一是技术。我们希望为我们的合作伙伴提供最佳解决方案，以创建节能系统。另一个是制造——不仅能够制造零件，而且能够大批量生产这个新兴市场所需的零件，并以高质量和低成本可靠地制造它们。[要实现] 更高的效率，您希望最大限度地利用油箱的能量，[从而] 为车轮充电，这样您就可以花更多的时间驾驶而减少充电的时间。这确实是我们的使命，也是我们关注的重点。

电池管理系统

EE Times/电力电子新闻：在构建大型电池组时，需要电池监控和电池平衡以在电池组的整个生命周期内保持高电池容量。电池管理系统解决方案如何解决这个问题，目前最先进的技术是什么？

库尔特根：任何电池管理系统的目标都是安全地从电池组中获取最多的能量和功率，因为最大的吞吐量会影响车辆。安全至上。所以，在你谈任何事情之前，你先考虑安全；它影响电子设计、电池单元设计、机械设计、软件、温度控制系统——包装中的一切。每个电池管理系统的核心是测量和平衡电池组中的每个电池。这可能是数百个或数千个电池，其中一些是并联的，最先进的技术是使用高达 800 伏的共模电压测量电池组中的每个电池电压、电流和温度，并且数百伏特和噪声，并在高达 85°C 的中等温度范围内进行这些测量，甚至 125°C。因此，测量精度是关键。

EE Times/电力电子新闻：虽然越来越需要寻找能够彻底改变我们移动方式的环保系统， 还需要确保新的绿色技术在价格和性能方面尽可能高效和有效。增加更高电压的电池以满足日益增长的功率要求，反过来又增加了供电架构的复杂性，并对尺寸和效率提出了新的要求。有许多电气化选择，但大多数制造商选择 48 伏轻度混合动力系统，而不是全混合动力系统。48 伏技术在哪里插入未来的移动性？您如何看待全电动汽车转向更高电压（即 800 伏）的趋势？这将如何影响功率器件的选择？

Doogue：不同地方采用的架构不同；轻度混合动力汽车是真实的。当然，许多行业专家预测，严重依赖 48 伏电池的轻度混合动力汽车的数量将大幅增加；我们看到我们的客户发生了这种情况。因此，我们确实相信 EV 革命的这一部分是真实的，48 伏电池供电的轻度混合动力车将在未来几年推动市场上的一些销量。与此同时，800 伏技术也在加速加速。有时我想提醒自己，很多这样的技术已经存在，电动公交车和其他车辆已经在使用 800 伏电池。我们已经开始看到，无论是保时捷还是其他一级制造商，[公司] 采用 800 伏技术。

Notaro：48 伏系统绝对是与车辆 IC 兼容的系统，因此今天您可以升级车辆并真正降低 CO 2以相对较低的成本排放。48 伏 [段] 是现实；市场上有很多汽车。到 2025 年，四分之一的新车将实现电气化；从 2030 年开始，[至少]一半将通电，这实际上是 48 伏和 400 至 800 伏的组合。因此，肯定有一个不断增长且具有巨大优势的市场。另一方面，当我们查看插电式电动汽车时，您就会开始看到更高电压的价值，因为最终您必须处理物理问题——您无法改变这一点。当我们现在考虑为插电式电气化的高压而使 [动力系统] 电气化时，随之而来的是基础设施。即使是 48 伏的轻度混合动力车，您也需要一个独立的基础设施。

图 1：48V 技术（来源：Analog Devices）

图 2：跨平台解决方案（来源：Allegro MicroSystems）

图 3：快速充电驱动增加了电池电压。（来源：安森美半导体）

大流行的影响

EE Times/电力电子新闻：在制造方面，Covid-19 大流行引起的当前问题是什么（如果有的话）？对电动汽车市场有何影响？我认为，通过更加果断地推动该市场转向电动汽车，这种情况可能会为更环保的未来提供良好的牵引力和良好的推动力。

库尔特根：我们现在面临的是在半导体供应链在制造的每一步都面临产能短缺的时候对电动汽车的前所未有的需求。因此，在需求方面，在某些地区，电动汽车销量同比增长 300%，而此时您知道汽车市场正试图恢复正常。其中一些是 [a result] 政府相关的刺激计划有利于电动汽车，尤其是在欧洲（也许中国上海是另一个例子）。我认为 COVID 封锁让我们意识到了空气质量。新的在家工作、在家玩的场景改变了人们的购买习惯，也改变了人们的优先事项。它改变了您使用汽车的定义。但它也创造了对汽车世界以外的半导体和电子产品的这种需求，这对汽车世界产生了影响。在供应方面，我们关注晶圆、引线框架、组装能力、半导体加工设备和测试设备的短缺。

杜格：我在我们的行业——或者说在汽车行业——看到，在大流行的早期，许多企业并不知道这一切将如何结束，因此节省现金是大多数公司采取的关键策略。结果，我们看到了一份关于某些公司最重要的研发项目的明确声明。他们正在削减可以省钱的地方，但某些程序是不可触及的；这些是定义未来的最重要的计划。我们在整个大流行中看到的可能是从工程和开发的角度加速对电动汽车平台的关注。我认为 [观察是] 支持各汽车公司谈论他们承诺 100% 电动，无论 [by] 2030 或 2035。

Notaro：现在是压力大的时候。电动汽车市场真正由动力驱动，而能源管理在汽车中确实占主导地位。所以现在，不仅是汽车，还有工业、云[基础设施]——所有这些应用都将需要大量电力。未来五年，功率器件的供应将非常有限。我们更多地关注碳化硅，因为那时你会关注衬底，所以我们非常关注制造方面。但是市场上的电力需求将猛增，这将在供应链上创造就业机会 [但也会增加需求]。

基础设施问题

EE Times/电力电子新闻：基础设施是我们必须面对的下一个挑战。让我们想想电网以及需要更多充电站和智能电网来管理我们的电动汽车。是否可以增加太阳能等清洁能源的使用，确保电动汽车零排放？

库尔特根：电动汽车的绿色程度取决于为其充电的能源，因此我们必须意识到这一点。然后是车辆的制造：如果它有大量的碳足迹，那么在环境影响方面，我们真正做了什么？因此，我们倾向于关注整个生态系统，尤其是电池领域。电池是如何生产的，如何最大限度地利用它们以减少碳足迹？您会看到欧盟已经实施了一些标准，例如电池的数字护照，以确保其整体占用空间很小。我们着眼于整个生态系统以及我们可以在哪些方面发挥作用来帮助解决这个问题。显然，当涉及到电网时，二级存储将有助于平衡电网。我们的电池管理系统可以从汽车中取出，直接应用于电网储能。我们都在电池制造领域发挥作用，以使用最少的能量制造出最高容量的电池。

道格：我们在 Allegro 的使命宣言之一是将世界上的技术推向更安全、更可持续的未来。所以，当我们[某人]像我的邻居一样，我们感到非常自豪和高兴，他屋顶上有太阳能电池板，车库墙上有一个充电盒，里面停着他的特斯拉。我想我们都知道需要对基础设施进行大量投资。我知道这会很昂贵，但我也相信创新，我相信创新可以使情况更易于管理。人们谈论每个人下班回家并同时插入电动汽车的 [幽灵]，从而在电网上产生峰值负载。但这是一个非常容易解决的问题。通过一些创新、调度和附加技术，也许可以通过互联网进行控制，我们可以降低电网的压力。

Notaro：基础设施可能是当今最大的挑战；[为解决这个问题而出现的不同举措和投资就证明了这一点]。您每次都需要为 EV 充满电，但重点是您可以获得前 50% 到 80% 的电量，然后这些汽车的发动机恢复非常棒。我有一辆插电式混合动力车，我很惊讶我能开多远，即使电池没电，仅仅因为恢复。所以，这只是心态上的差异。但政府将不得不加强，因为基础设施和生产[它]的公司受到严格监管。所以这是即将到来的挑战之一。

然后你将拥有替代技术。例如，商用车的燃料电池将是一个很好的解决方案。我始终相信工程师会为任何问题找到正确的解决方案。

审核编辑 黄昊宇