车辆电气化大势已定，看TI如何布局新能源汽车市场

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2019-05-14

在IC Insights最新公布的2018年全球模拟IC供应商排名中，德州仪器（TI）再次以108亿美元的销售收入以及18%的市场占有率蝉联榜首。在已经过去的2018财年，TI的工业和汽车应用对公司的整体营收贡献很大，约占总收入的56%。这也是TI最近几年大力开发两大应用市场的收获。

“之所以将汽车行业做为重点发展的市场之一，是因为我们观察到，汽车的电气化比例越来越高，并且正在逐步实现从被动安全向主动安全的转化。传统的被动安全系统主要包括ABS系统和安全气囊系统，TI在这方面已经占有非常大的市场份额。随着汽车电子化的不断演进，更安全、更高效、更环保等汽车‘新三化’功能逐渐浮出水面。TI针对汽车市场的创新也主要围绕这些方面展开。”TI中国区汽车业务部总经理张磊在最近召开的混动及电动汽车最新电池管理系统和牵引逆变器系统参考设计和解决方案媒体沟通会上表示。

图1  左：张磊，TI中国区汽车业务部总经理；右：师英，TI中国区汽车电子技术应用经理

具体到实际应用，张磊表示TI的汽车电子解决方案主要集中在四大方向或领域。

一是先进的驾驶辅助系统（ADAS系统）。在ADAS系统上，TI除了现在配装率越来越高的自动泊车、盲点检测功能以外，还致力于在无人驾驶Leve4以及更高技术的研发和储备。现有的77G毫米波雷达，汽车处理级芯片等都可以实现并推动ADAS应用的不断演进。

二是汽车电子和照明。传统的汽车照明以卤素灯和氙气灯为主。现在，LED照明已成市场的主流。在LED照明上，TI有很多方案，比如自适应的LED灯。另外，TI还将自己独有的投影技术应用到汽车照明，包括前灯、车内娱乐系统上，并基于该技术提供汽车业内唯一的100万像素的前灯方案。

三是信息娱乐系统和集群信息交换系统。娱乐导航系统与模拟仪表盘系统相结合是现在最流行的汽车娱乐和信息系统的交互方式。随着技术的演进，整个系统会从模拟仪表盘向数字仪表盘过渡。这个时候TI 独有的DLP抬头显示技术配装比例就会越来越高。由于它融合了娱乐与导航功能，投射在前窗上的信息使得显示更加直观，在驾乘体验和驾驶安全性方面的表现也更加突出。

四是新能源汽车。在这个领域，TI对自己提供的芯片方案确定了一个最终目标，那就是让新能源汽车变得更加有效率，更加节能和安全。而这个也是本次的沟通会的主要话题。

其实，TI对汽车市场的投入可以追朔到35年前。“我们注意到，越来越多的汽车开始从内燃机+电力马达双引擎驱动向纯电动方向发展。纯电汽车和混合汽车主要包括四大核心系统，即发动机管理系统、传动系统、助力转向系统、传感部件系统。如何提高电力发动机的效率，让板上充电的时间更短，以及精确地计算电池续航里程，这些都是纯电动汽车发展过程中的重大挑战。因此带动了I（INV）——电力动力输入系统、D（DC/DC）——板上电源管理系统、B（BMS）——电池管理充放电及精度测量、O（OBC）——板上的充电系统等四大应用技术的快速发展。在这四大领域，TI均能提供全面的解决方案。”张磊表示。

有效延长车辆续航时间的BMS参考设计
高精度混动/电动汽车电池管理系统能是TI面向混动/电动汽车应用专门打造的新型电池管理系统（BMS）参考设计，能提供更安全、更可靠、更精密的电池监控。该参考设计可扩展至6串至96串的电池监控电路，采用先进的BQ79606A-Q1精密电池监控器和均衡器，能精确监控温度和电压水平，有助于最大限度地延长电池使用寿命和上路时间。此外，BQ79606A-Q1电池监控器具有安全状态通信功能，可帮助系统设计人员满足汽车安全完整性等级D（ASIL-D）的要求。该设计以菊花链配置实现电池监控，从而为3串至378串、12 V至1.5 kV锂离子电池组创建高度准确和可靠的系统设计。

该参考设计最独特的一点是，能对多个电芯的电压进行同步测量。相比上一代产品的16通道电压需要通过一个模拟开关分时切入到同一个ADC后再进行处理，BQ79606共有6个通道，且每一个通道均对应一个单独的ADC用以实现同步采样。此举为接下来的电池SOC（充电管理算法）提供极大便利，电池的测量精度也有很大提升，误差<1%。

在电池包设计时，温度是非常重要的一个指标，TI新型BMS参考设计还集成了一个辅助的ADC，可在扩展温度范围内监控电芯温度。

为车辆热管理提供保障的高精度温度传感设计
在电动汽车中，由于多达数十千瓦功率将流过车辆的牵引逆变器和电池，而高温可能会损坏昂贵且敏感的动力总成元件。因此，卓越的系统热管理对于车辆性能以及保护驾驶员和乘客安全至关重要。

为保护动力总成系统，比如让48 V发电机免于过热，TI专为动力总成系统设计了一款高精度模拟温度传感器TMP235-Q1，这是一款低功耗、低静态电流（9μA）器件，在-40°C至150°C的整个工作温度范围内具有±0.5°C的典型值和±2.5°C的最大精度，有助于牵引逆变器系统对温度波动做出反应，并采用适当的热管理技术。在千瓦级的功率等级下，保护动力总成系统免于过热。

提升混动/电动汽车牵引逆变器功率的新设计
对混动/电动汽车而言，有效提高功率密度和电源转换效率是行业持续追求的研发目标。若要增强系统性能，就必须提高驱动强度，并进一步降低开关损耗。

TI公司的UCC21710-Q1和UCC21732-Q1栅极驱动器是业内首款集成了IGBT和碳化硅（SiC）场效应管传感功能的隔离式栅极驱动器，可在高达1.5 kVRMS的应用中实现更高的系统可靠性，并具有超出12.8 kV的隔离浪涌保护功能（规定的隔离电压为5.7 kV），可帮助设计人员创建更小、更高效的牵引逆变器设计。

为了实现直接由汽车的12V电池为新型IGBT/SiC栅极驱动器供电，TI还推出了一种新型紧凑型偏置电源功率级IGBT/SiC栅极驱动器参考设计，包括反极性保护、电瞬态钳位以及过压和欠压保护电路。该紧凑型设计包括新型LM5180-Q1，这是一款100V，1A同步降压转换器，提供极低的10μA典型待机静态电流。无需光耦或变压器辅助绕组，由12V汽车电池直接驱动，以降低中间电源轨发生故障的风险。车辆每次启停时，12V电池都会有很大的跌落。宽输入电压范围使得该器件可以直接由12V汽车电池驱动，省掉一级电压转换，降低了整个系统的成本。

适于高效率直流快速充电的三相SiC参考设计
直流快速充电器有两大设计挑战：一是充电功率非常大，功率水平达到40kw到350kw，相应的充电电流更是高达400A。二是整个充电时间需要控制在15-30分钟，对于短时间大功率注入的电池而言，安全方面必须有充分的考量。

在实际应用中，要求充电系统必须具有更高的能量密度以及电源转化效率。从现有的技术来看，V2G将是当下或下一个技术发展的方向。而较新的电源拓扑结构可以实现双向V2G操作，并在较大的输出范围内提高转换效率。

TI提供的三电平、三相SiC AC/DC转换器双向参考设计TIDA-010039，98％的功率转换效率可满足Combo-1电动汽车充电标准，在800 V直流充电电压时输出可达10 kW。同时，基于SiC的电动汽车充电设计可实现快速充电。另外，该参考设计还为V2X预留了接口，便于未来开展工作。

面向新能源汽车市场，TI已经拥有一系列符合汽车规范的模拟和嵌入式单品。综合来看，TI的汽车市场策略应该是以参考设计为主，一方面能有效提高产品的易用性，简化设计工作。另一方面可帮助零部件或车企更快将产品推向市场，加快产业发展速度。