電子化開(kāi)啟汽車(chē)新概念時(shí)代

　　新的EV和HEV汽車(chē)需要兩項基本的技術(shù)：大容量蓄電池和高效的電動(dòng)馬達。這些技術(shù)需要使用高于到目前為止汽車(chē)一直使用的標準12V電壓，現在汽車(chē)中具有48V或120V，或288V甚至更高的電壓。這推動(dòng)業(yè)界開(kāi)發(fā)經(jīng)優(yōu)化在這些電壓下工作的功率半導體器件。飛兆半導體全球汽車(chē)銷(xiāo)售及應用副總裁Joseph Notaro認為該公司擁有應對這一挑戰的有利條件，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(gè)電壓范圍。功率半導體和封裝技術(shù)的新發(fā)展可以減少功耗和重量，從而推動(dòng)減少CO2排放，并且提升燃料經(jīng)濟效益。功率半導體技術(shù)的新發(fā)展是電動(dòng)馬達使用增加的核心(不僅驅動(dòng)輔助負載，并且驅動(dòng)主要的牽引逆變器)。

      德州儀器半導體事業(yè)部汽車(chē)電子業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理姜輝認為，新能源汽車(chē)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于動(dòng)力總成，核心應用主要包括主電機驅動(dòng)，整車(chē)控制器以及電池管理。其對MCU的安全性，實(shí)時(shí)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和接口(ePWM、eQEP、eCAP)，能夠更便利地控制電機，同時(shí)保障安全性。其高達180MHz主頻、3MB Flash的配置也非常適合整車(chē)控制器的應用。同時(shí)，對于電池管理的安全性要求的提升也使得TMS570‘超值線(xiàn)’廣受青睞。除此之外，TMS570全系列支持AutoSAR操作系統，也使得整車(chē)的開(kāi)發(fā)更加靈活。”

　　同時(shí)，成本也需要進(jìn)一步降低。特別是電池成本很重要，關(guān)乎行駛距離問(wèn)題。如今缺少的是良好的電池充電基礎設施。安森美半導體全球汽車(chē)電子方案總監賀寶康(Herve Branquart)看到，行業(yè)轉向新能源汽車(chē)的發(fā)展過(guò)程也不會(huì )太順利，因為政府征收傳統汽車(chē)的燃油稅，如果想令電動(dòng)汽車(chē)獲更廣泛的使用，還須顧及如何轉報成電力/費的問(wèn)題?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的未來(lái)則更明朗，尤其是在微混合技術(shù)方面，將會(huì )使用更小的電池、更小的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機及熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機來(lái)為電池充電。電能的本地化生產(chǎn)也很重要?；旌蟿?dòng)力也是非常適合于市區駕駛的技術(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(guò)程，那么插電式混合動(dòng)力及純電動(dòng)汽車(chē)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。高能效的感應充電方案及快速電池充電技術(shù)的改進(jìn)還需做更多的工作，但這些汽車(chē)中的功率電子電路的能效并非主要障礙。通過(guò)汽車(chē)行業(yè)合格認證的大功率電子的供應商數量未來(lái)幾年將需擴大，新的進(jìn)展將以更低的成本提供同樣提高的能效。在電池監測方面，相當多的競爭硅方案幾乎無(wú)法配合系統要求的不斷變化。IC供應商與廣泛的客戶(hù)群需要有效的關(guān)乎安全的設計銜接溝通。最后，電池組的能效與其系統成本將會(huì )靠主動(dòng)式平衡等技術(shù)獲改進(jìn)。

        德州儀器半導體事業(yè)部汽車(chē)電子業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理姜輝指出，電池管理系統(BMS)作為電池蓄能及動(dòng)力輸出的樞紐，對于HEV/EV系統扮演著(zhù)相當重要的角色。TI提供完整的電動(dòng)汽車(chē)電池管理解決方案組合，在整個(gè)寬溫范圍內提供量測電壓精準度以及高噪聲環(huán)境下最可靠的通訊傳輸模式。德州儀器的主動(dòng)均衡技術(shù)專(zhuān)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(dòng)均衡技術(shù)的能源轉換效率高達87%。另外，采用被動(dòng)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(chē)廠(chǎng)采用進(jìn)入方案設計驗證階段，尤其適合僅需要小容量電池包的混合動(dòng)力車(chē)。同時(shí)，TI是唯一的能提供滿(mǎn)足ISO26262 ASIL-D要求的BMS解決方案的半導體廠(chǎng)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(dòng) (EV 或 BEV) 和混合燃氣 / 電動(dòng)汽車(chē) (HEV 和插電式混合電動(dòng)汽車(chē)或 PHEV)、儲能系統 (ESS) 等各種應用。據預測，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)對大規模串聯(lián) / 并聯(lián)電池組將有很強的需求。PEV 和 EV 銷(xiāo)售在 2012 ~ 2020 年度的復合增長(cháng)率 (CAGR) 將達到 37.4%。凌力爾特公司電源產(chǎn)品市場(chǎng)總監Tony Armstrong看到，對大容量電池的需求越來(lái)越強烈，而電池價(jià)格一直非常高，是 EV 或 PHEV 價(jià)格最高的組件。對于能行駛幾十公里范圍的電池，其價(jià)格通常就要超過(guò) 10,000 美元。高成本可以通過(guò)使用低成本 / 翻新電池來(lái)減輕成本壓力，但這類(lèi)電池會(huì )有較大的容量不匹配問(wèn)題，這會(huì )縮短可使用時(shí)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(huì )老化，不斷重復使用會(huì )導致電池失配。要提高不匹配電池的電池組容量，可以通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現：開(kāi)始時(shí)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(dòng)平衡技術(shù)，這一新技術(shù)能夠恢復電池組的電池容量，有快速上升的勢頭?！　?/p>

             

　　當一個(gè)電池組中的每節電池具備相同的電荷狀態(tài) (SoC) 時(shí)，這些電池就是“平衡”的。SoC 指的是每一電池隨著(zhù)它的充電和放電，相對于其最大容量的剩余容量。在電動(dòng)型汽車(chē)和電網(wǎng)存儲系統中，這些數值是典型的SoC 限制，電動(dòng)型汽車(chē)和電網(wǎng)存儲系統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 (BMS) 的主要作用是，仔細監視電池組中的所有電池，確保每一節電池的充電或放電都不超出該應用充電狀態(tài)限制的最小值和最大值。

　　測試的挑戰

　　汽車(chē)電子測試系統越來(lái)越需要突破性的解決方案，來(lái)降低測試成本，為廠(chǎng)商提供更強的競爭優(yōu)勢。汽車(chē)電子的系統及部件也越來(lái)越多，競爭也越來(lái)越大，最為突出的就是成本的降低。汽車(chē)電子作為智能嵌入式系統的典型應用，是當前汽車(chē)設計中新的推動(dòng)力量。每秒做出數千個(gè)決策的各種復雜嵌入式設備的采用，使最新的安全和效率技術(shù)成為可能。不管是設計簡(jiǎn)單地調節鏡子的系統，還是設計監控并行混合動(dòng)力裝置的系統，都離不開(kāi)嵌入式系統技術(shù)。嵌入式設備的使用及在整個(gè)車(chē)輛中傳送關(guān)鍵信息，使得設計、調試和檢驗汽車(chē)的這些設計所需的測試過(guò)程的復雜程度都提高了。而更低成本的嵌入式系統測量測試技術(shù)來(lái)使汽車(chē)生產(chǎn)商獲得更多競爭優(yōu)勢，并使其獲得更加廣泛的應用。

　　泛華恒興ATE方向技術(shù)主管闞宏偉介紹，為了減少開(kāi)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用，尤其在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機電控單元開(kāi)發(fā)過(guò)程中。通過(guò)這種技術(shù)，在設計階段就可以通過(guò)各種模型仿真實(shí)際汽車(chē)使用工況，測試硬件輸出狀態(tài)，使問(wèn)題暴露在設計開(kāi)發(fā)階段。對汽車(chē)電子零部件來(lái)說(shuō)，復雜性越來(lái)越高，例如汽車(chē)點(diǎn)火線(xiàn)圈越來(lái)越多的采用多點(diǎn)點(diǎn)火技術(shù)，即在一個(gè)氣缸做功行程，多次點(diǎn)火使油氣混合物能夠更充分的燃燒，提高發(fā)動(dòng)機效率并能有效的降低排放。點(diǎn)火線(xiàn)圈測試中點(diǎn)火波形參數是非常重要的判據，點(diǎn)火波形頻率的提高對測量系統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(xiàn)設備，保證硬件高速采集，然后通過(guò)軟件對波形分析處理能夠很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

　　汽車(chē)傳感器是汽車(chē)的鼻子、耳朵和眼睛，是汽車(chē)智能化和電子化的基礎，有著(zhù)廣泛的應用前景。汽車(chē)傳感器測試最大的挑戰是物理環(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(chē)尾氣成分，爆震傳感器需要提供振動(dòng)源模擬汽車(chē)發(fā)動(dòng)機體的振動(dòng)狀態(tài)…并且汽車(chē)上的電磁環(huán)境、溫度環(huán)境是多樣和復雜的，這些往往都需要在測試系統中能夠模擬，進(jìn)行復合測試。泛華汽車(chē)傳感器驗證平臺針對整車(chē)廠(chǎng)家和零部件廠(chǎng)的應用需求，可以對汽車(chē)上常用的傳感器，如輪速、曲軸、凸輪軸、壓力、溫度、油位等，進(jìn)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(chē)上極限使用狀態(tài)，如模擬發(fā)動(dòng)機轉速到10000RPM，使用環(huán)境溫度-40℃。

　　隨著(zhù)混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展，更高效的逆變技術(shù)、傳動(dòng)系統和電動(dòng)轉向(EPS)等技術(shù)的應用，越來(lái)越需要完善的測試工具，以迅速簡(jiǎn)便地對動(dòng)力進(jìn)行系統測試。這將對汽車(chē)電子的測量項目提出新的挑戰，例如：功率器件、磁性器件的能耗、效率、安全工作條件及系統對負荷變化和RF瞬態(tài)信號的響應，當然這只是其中一小部分。所以完善的系統、器件分析測試工具是解決這些挑戰的方案之一。泰克公司中國區行業(yè)渠道電力電子開(kāi)發(fā)經(jīng)理王躍偉認為，該公司的汽車(chē)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測試以及最新的功率分析儀可以很好地應對這方面的測試挑戰。

　　電機是新能源汽車(chē)的主要動(dòng)力來(lái)源，其在新能源汽車(chē)中的應用也為嵌入式控制系統開(kāi)發(fā)人員和測試工程師帶來(lái)了新的挑戰，速度便是其一。電子驅動(dòng)引擎控制單元(ECU)控制算法的運行速度必須遠快于內部燃燒引擎的動(dòng)力傳達ECU。更快的速度需求使得傳統的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測試系統則必須在1 µs的時(shí)間內執行仿真模型，以充分顯示電機的實(shí)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場(chǎng)測試來(lái)驗證他們的嵌入式軟件。

　　JSOL公司與NI合作開(kāi)發(fā)了用于NI VeriStand的JMAG附加軟件模塊，JSOL是JMAG機電設計和開(kāi)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(dòng)勢(EMF)數據，進(jìn)行電機模型的實(shí)時(shí)仿真。由于電機結構的不對稱(chēng)性會(huì )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(shí)就需要采用FEA技術(shù)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)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(lái)說(shuō)十分重要。