混合動力/電動汽車：驅動IC挑戰高性能

摘要：本文探討了混合動力/電動汽車的電子難點及部分解決方案。

關鍵詞：混合動力；電動汽車；電池管理；功率器件；MCU

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.004

市場：增速減緩，混合動力車是近期重點

2009年我國明確新能源汽車發展規劃后，新能源汽車產量出現井噴式增長。然而由于成本較高、技術不成熟以及配套設施不完善等因素的影響，近幾年中國新能源汽車發展增速減緩。據賽迪顧問基礎電子產業研究中心行業電子事業部高級分析師陳偉稱，2011年中國新能源汽車產量為0.84萬輛，增速從2010年的35.8%下降至16.5%。

不過，自我國發展規劃明確后，新能源汽車產業一直是各界關注的焦點。各大企業紛紛投入到新能源汽車的研發和生產當中。政府政策的引導和支持對新能源汽車在公共交通領域的興起起到了顯著的助推作用。“十城千輛”等項目促進了各地方新能源大巴車、公務用車等的發展。公共交通用新能源汽車對電池和電機的需求壓力較小，對行車速度要求不高，同時節油較為明顯，因此適合在新能源汽車發展初期大量應用。

由于具備技術比較成熟，成本增加較小等優勢，混合動力汽車將成為近期產業發展重點。而國內的純電動汽車產業在除電池方面具備自己的優勢以外，其他技術仍與國外差距較大，加上價格過高和基礎設施不完善等原因，產業化速度相對較慢。

英飛凌科技(中國)有限公司汽車電子市場總監杜曦也同樣認為，一些關鍵技術特別是電池技術的制約，使純電動車迄今仍停留在主要以示范運行為主和極小批量銷售為主的階段。另一方面，混合動力車卻皆入佳境，越來越多的車企已經進入或將要有能力進入量產階段。相應的在中國，示范運行和政府公務車采購將會是純電動車的消費主力。在混合動力技術方面，國內車廠將會在激烈的市場競爭中直接遭遇成熟的國外量產車型，挑戰很大。增程式混合動力具備純電驅動的特征，同時又配備了增程器以解決電池續駛里程不足的問題，所以其作為一種銜接性的技術，也有望得到迅速的發展。

技術：HEV/EV需要解決價值成本問題

國際整流器公司（IR）汽車產品業務部副總裁兼總經理Henning Hauenstein指出，從世界范圍來看，在過去這些年里，我們都目睹了眾多新型和極具吸引力的混合動力汽車的快速發展。幾乎每個OEM廠商在其產品組合中都有一種型號或者宣布過面向混合動力及純電動汽車而即將推出的型號。所以，盡管與通常的內燃機動力汽車相比，目前街面上只有一小部分的汽車是電動車或混合動力汽車，但混合動力汽車理念已成為我們工作的重心，并且確實非常成功。由此，我們相信在不遠的將來，汽車OEM（制造廠）和系統廠商將會花費大部分精力來解決價值成本的難題。

雖然混合動力和純電動汽車可以消耗較少燃料，但從前期付出金錢的回報來看，相關的額外成本還不夠合理。這也很可能是電動汽車要取得廣泛市場成功的主要障礙。而可承受的經濟型電動汽車通常要從電子元器件開始，這些器件適用于大功率應用，如電機逆變器和DC-DC轉換器中DC-AC電池充電器。

實際上，用于新能源汽車的有大量模擬IC，賽迪陳偉舉例說，如電源管理IC、AD/DA轉換器、RFIC、各種開關電路、模擬接口IC等。與此同時，汽車半導體產品大范圍的應用為模擬IC的銷售提供了空間，也因此保證了模擬IC占據汽車用IC的最大市場份額。

英飛凌的杜曦認為，新能源汽車的主要核心電子電氣模塊包括：電機驅動、電池管理、DC/DC、車載充電器以及整車控制器。MCU(單片機)幾乎為每個模塊所需，主要以32位單片機為主。最重要的半導體器件當屬用于電機驅動的IGBT模塊，其核心芯片的薄片技術是效率提升的關鍵，合理的散熱結構對于汽車應用來說也至關重要。電池管理應用中，集精確電池電壓測量和均衡控制功能于一體的高集成解決方案是主要發展方向。針對DC/DC和車載充電器，除了基于超級結技術的MOSFET，高速IGBT也在迅猛發展，日益成為重要的功率器件。整車控制器中，除32位單片機以外，也常會用到一些智能的低邊或者高邊開關。

安全、電池管理、高效是熱點

盡管模擬IC的應用眾多，但在筆者所訪問的多家海外企業來看，安全和電池管理、高效半導體等是研發的熱點。

Maxim Integrated負責電池管理方案的管理總監Naveed Majid說道，為鼓勵更多的消費者購買電動汽車或混合電動汽車，有兩大挑戰亟待解決。第一個挑戰是汽車制造商需要向消費者證明HEV/EV能夠滿足最高等級的安全標準；另一個挑戰是汽車制造商和電池生產商需降低鋰電池的系統成本，因此需要先進的電池管理系統（BMS）。

“目前，客戶都在尋求適用于電源管理的更高效半導體、更先進的封裝技術，”IR汽車產品業務部副總裁兼總經理Henning Hauenstein說，“這樣可以允許更小型的系統適用于更高的功率密度、以及更強的魯棒性，可為電子傳動系提供長期的可靠性、還有最終的可升級性、靈活性和標準化，以解決那些通常很獨特、在低容量混合系統出現的高成本問題。”

電池及其管理是焦點

純電動汽車/混合動力汽車還有另外一個屏障需要跨越，即電池的續航能力。所以電池技術需要在容量、壽命和生產成本及重量方面取得重要突破。

愛特梅爾公司 (Atmel) 汽車電子亞太區營銷總監吳彥翔告訴筆者，汽車業正在重點研究如何增加完全混合動力和插入式混合動力汽車的電池容量，從而能夠以較少的電能，行駛最長的距離。鋰離子電池具有先進的性能，因而成為現代高性能電池之首選。

鋰離子電池存儲的電量較傳統的鎳氫(NiMH)電池多出很多，而體積和重量則比后者分別減小30%和50%。不過，縱使鋰離子電池在尺寸、重量、再充電速度、壽命周期和抵抗存儲器效應方面都具有突出的優勢，但是它們在過充狀態或深度放電過程中往往會發生過熱現象。因此，在鋰離子電池的使用中，保護和安全功能是極為重要的。

汽車電動化的主要困難在于能源和實施方法，據悉，目前僅有一些OEM制造商在混合動力系統方面取得了成功。從頭開始開發這類復雜的系統需要花費大量的時間和努力。這也是主要的OEM廠商開始在汽車電子項目方面進行合作的原因。在汽車電子的開發中，電池組的安全性也是一個主要的關注問題。現今汽車使用兩項主要的電池技術，兩者各有其優缺點。

電池檢測的三要素

由上可見，電池檢測是模擬IC公司的主攻方向。ADI公司汽車電子戰略市場部應用經理沈飛指出，現代電動汽車系統需要監測及控制電池組、電機和變換器。惡劣的電磁干擾和溫度環境，以及對極低缺陷率和產品長效使用的期望，要求這種系統必須經過精心設計和全面測試，以便管理數百伏的電池組，并達到毫伏級的檢測與校正精度。千伏級隔離和數百安培至數毫安的電流，要求加強通信與保護，提高系統在汽車使用壽命內的質量和精度。

隨著業界對電池電量計算的精度要求不斷提高，越來越優異的電池工藝技術的出現，使電池充放電曲線更加平坦，所以電池管理芯片需要擁有更高的測量精度。另外，由于鋰電池的失效特性，電池管理系統的可靠性和安全性至關重要。國內廠商開始關注系統級的安全性設計，以及ISO26262標準的引入。在電池管理芯片領域，主流半導體廠商均在芯片中集成了越來越完備的故障報錯機制、數據校驗機制、以及冗余監控機制，以幫助客戶實現更高等級的系統級安全。最后，很多廠商開始關注效率更高的主動式電池均衡，以降低電池管理模塊的發熱，節省電量消耗。這些問題的解決，意味著消費者所擔心的電池系統安全性、電池的使用壽命以及成本等一系列問題隨之迎刃而解，將加快新能源汽車的普及速度。

BMS IC嚴酷條件下的高性能

凌力爾特公司產品市場經理Brian Black認為，電池管理系統 (BMS) 所依賴的是電池監視器IC執行以下任務的性能：監視電池組中每節電池的健康狀況、控制每節電池的充電狀態、以及確保系統處于安全和可靠的狀態。

BMS IC可準確地測量電池組中每節電池的電壓，并擁有使這些測量與電流和溫度測量相關聯的能力。這些測量的準確度決定了電池的總可用容量。如果使用的 BMS IC準確度欠佳，那么設計師就必須為測量留出更多的保護區間以應對最壞情況誤差。這意味著電池的可用容量比采用高準確度BMS IC時要低，因而限制了汽車的行駛距離。必須在嚴酷條件下保持高準確度，此類條件包括寬溫度變化范圍、高共模電壓、源自逆變器的高EMI（電磁干擾）噪聲水平，以及長久的工作壽命。BMS IC必須提供盡可能高的測量準確度。另外，它還必須提供穩健的通信以避免測量數據受損。

電池管理IC還起著平衡電池電量的重要作用，以最大限度地提高電池的可靠性和能量容量。此外，BMS IC還必須有助提升于汽車的安全性和可靠性。

參考文獻：

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