混合动力/电动汽车：驱动IC挑战高性能

摘要：本文探讨了混合动力/电动汽车的电子难点及部分解决方案。

关键词：混合动力；电动汽车；电池管理；功率器件；MCU

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.004

市场：增速减缓，混合动力车是近期重点

2009年我国明确新能源汽车发展规划后，新能源汽车产量出现井喷式增长。然而由于成本较高、技术不成熟以及配套设施不完善等因素的影响，近几年中国新能源汽车发展增速减缓。据赛迪顾问基础电子产业研究中心行业电子事业部高级分析师陈伟称，2011年中国新能源汽车产量为0.84万辆，增速从2010年的35.8%下降至16.5%。

不过，自我国发展规划明确后，新能源汽车产业一直是各界关注的焦点。各大企业纷纷投入到新能源汽车的研发和生产当中。政府政策的引导和支持对新能源汽车在公共交通领域的兴起起到了显著的助推作用。“十城千辆”等项目促进了各地方新能源大巴车、公务用车等的发展。公共交通用新能源汽车对电池和电机的需求压力较小，对行车速度要求不高，同时节油较为明显，因此适合在新能源汽车发展初期大量应用。

由于具备技术比较成熟，成本增加较小等优势，混合动力汽车将成为近期产业发展重点。而国内的纯电动汽车产业在除电池方面具备自己的优势以外，其他技术仍与国外差距较大，加上价格过高和基础设施不完善等原因，产业化速度相对较慢。

英飞凌科技(中国)有限公司汽车电子市场总监杜曦也同样认为，一些关键技术特别是电池技术的制约，使纯电动车迄今仍停留在主要以示范运行为主和极小批量销售为主的阶段。另一方面，混合动力车却皆入佳境，越来越多的车企已经进入或将要有能力进入量产阶段。相应的在中国，示范运行和政府公务车采购将会是纯电动车的消费主力。在混合动力技术方面，国内车厂将会在激烈的市场竞争中直接遭遇成熟的国外量产车型，挑战很大。增程式混合动力具备纯电驱动的特征，同时又配备了增程器以解决电池续驶里程不足的问题，所以其作为一种衔接性的技术，也有望得到迅速的发展。

技术：HEV/EV需要解决价值成本问题

国际整流器公司（IR）汽车产品业务部副总裁兼总经理Henning Hauenstein指出，从世界范围来看，在过去这些年里，我们都目睹了众多新型和极具吸引力的混合动力汽车的快速发展。几乎每个OEM厂商在其产品组合中都有一种型号或者宣布过面向混合动力及纯电动汽车而即将推出的型号。所以，尽管与通常的内燃机动力汽车相比，目前街面上只有一小部分的汽车是电动车或混合动力汽车，但混合动力汽车理念已成为我们工作的重心，并且确实非常成功。由此，我们相信在不远的将来，汽车OEM（制造厂）和系统厂商将会花费大部分精力来解决价值成本的难题。

虽然混合动力和纯电动汽车可以消耗较少燃料，但从前期付出金钱的回报来看，相关的额外成本还不够合理。这也很可能是电动汽车要取得广泛市场成功的主要障碍。而可承受的经济型电动汽车通常要从电子元器件开始，这些器件适用于大功率应用，如电机逆变器和DC-DC转换器中DC-AC电池充电器。

实际上，用于新能源汽车的有大量模拟IC，赛迪陈伟举例说，如电源管理IC、AD/DA转换器、RFIC、各种开关电路、模拟接口IC等。与此同时，汽车半导体产品大范围的应用为模拟IC的销售提供了空间，也因此保证了模拟IC占据汽车用IC的最大市场份额。

英飞凌的杜曦认为，新能源汽车的主要核心电子电气模块包括：电机驱动、电池管理、DC/DC、车载充电器以及整车控制器。MCU(单片机)几乎为每个模块所需，主要以32位单片机为主。最重要的半导体器件当属用于电机驱动的IGBT模块，其核心芯片的薄片技术是效率提升的关键，合理的散热结构对于汽车应用来说也至关重要。电池管理应用中，集精确电池电压测量和均衡控制功能于一体的高集成解决方案是主要发展方向。针对DC/DC和车载充电器，除了基于超级结技术的MOSFET，高速IGBT也在迅猛发展，日益成为重要的功率器件。整车控制器中，除32位单片机以外，也常会用到一些智能的低边或者高边开关。

安全、电池管理、高效是热点

尽管模拟IC的应用众多，但在笔者所访问的多家海外企业来看，安全和电池管理、高效半导体等是研发的热点。

Maxim Integrated负责电池管理方案的管理总监Naveed Majid说道，为鼓励更多的消费者购买电动汽车或混合电动汽车，有两大挑战亟待解决。第一个挑战是汽车制造商需要向消费者证明HEV/EV能够满足最高等级的安全标准；另一个挑战是汽车制造商和电池生产商需降低锂电池的系统成本，因此需要先进的电池管理系统（BMS）。

“目前，客户都在寻求适用于电源管理的更高效半导体、更先进的封装技术，”IR汽车产品业务部副总裁兼总经理Henning Hauenstein说，“这样可以允许更小型的系统适用于更高的功率密度、以及更强的鲁棒性，可为电子传动系提供长期的可靠性、还有最终的可升级性、灵活性和标准化，以解决那些通常很独特、在低容量混合系统出现的高成本问题。”

电池及其管理是焦点

纯电动汽车/混合动力汽车还有另外一个屏障需要跨越，即电池的续航能力。所以电池技术需要在容量、寿命和生产成本及重量方面取得重要突破。

爱特梅尔公司 (Atmel) 汽车电子亚太区营销总监吴彦翔告诉笔者，汽车业正在重点研究如何增加完全混合动力和插入式混合动力汽车的电池容量，从而能够以较少的电能，行驶最长的距离。锂离子电池具有先进的性能，因而成为现代高性能电池之首选。

锂离子电池存储的电量较传统的镍氢(NiMH)电池多出很多，而体积和重量则比后者分别减小30%和50%。不过，纵使锂离子电池在尺寸、重量、再充电速度、寿命周期和抵抗存储器效应方面都具有突出的优势，但是它们在过充状态或深度放电过程中往往会发生过热现象。因此，在锂离子电池的使用中，保护和安全功能是极为重要的。

汽车电动化的主要困难在于能源和实施方法，据悉，目前仅有一些OEM制造商在混合动力系统方面取得了成功。从头开始开发这类复杂的系统需要花费大量的时间和努力。这也是主要的OEM厂商开始在汽车电子项目方面进行合作的原因。在汽车电子的开发中，电池组的安全性也是一个主要的关注问题。现今汽车使用两项主要的电池技术，两者各有其优缺点。

电池检测的三要素

由上可见，电池检测是模拟IC公司的主攻方向。ADI公司汽车电子战略市场部应用经理沈飞指出，现代电动汽车系统需要监测及控制电池组、电机和变换器。恶劣的电磁干扰和温度环境，以及对极低缺陷率和产品长效使用的期望，要求这种系统必须经过精心设计和全面测试，以便管理数百伏的电池组，并达到毫伏级的检测与校正精度。千伏级隔离和数百安培至数毫安的电流，要求加强通信与保护，提高系统在汽车使用寿命内的质量和精度。

随着业界对电池电量计算的精度要求不断提高，越来越优异的电池工艺技术的出现，使电池充放电曲线更加平坦，所以电池管理芯片需要拥有更高的测量精度。另外，由于锂电池的失效特性，电池管理系统的可靠性和安全性至关重要。国内厂商开始关注系统级的安全性设计，以及ISO26262标准的引入。在电池管理芯片领域，主流半导体厂商均在芯片中集成了越来越完备的故障报错机制、数据校验机制、以及冗余监控机制，以帮助客户实现更高等级的系统级安全。最后，很多厂商开始关注效率更高的主动式电池均衡，以降低电池管理模块的发热，节省电量消耗。这些问题的解决，意味着消费者所担心的电池系统安全性、电池的使用寿命以及成本等一系列问题随之迎刃而解，将加快新能源汽车的普及速度。

BMS IC严酷条件下的高性能

凌力尔特公司产品市场经理Brian Black认为，电池管理系统 (BMS) 所依赖的是电池监视器IC执行以下任务的性能：监视电池组中每节电池的健康状况、控制每节电池的充电状态、以及确保系统处于安全和可靠的状态。

BMS IC可准确地测量电池组中每节电池的电压，并拥有使这些测量与电流和温度测量相关联的能力。这些测量的准确度决定了电池的总可用容量。如果使用的 BMS IC准确度欠佳，那么设计师就必须为测量留出更多的保护区间以应对最坏情况误差。这意味着电池的可用容量比采用高准确度BMS IC时要低，因而限制了汽车的行驶距离。必须在严酷条件下保持高准确度，此类条件包括宽温度变化范围、高共模电压、源自逆变器的高EMI（电磁干扰）噪声水平，以及长久的工作寿命。BMS IC必须提供尽可能高的测量准确度。另外，它还必须提供稳健的通信以避免测量数据受损。

电池管理IC还起着平衡电池电量的重要作用，以最大限度地提高电池的可靠性和能量容量。此外，BMS IC还必须有助提升于汽车的安全性和可靠性。

参考文献：

[1]王莹.电子:新能源汽车的强力推进者.电子产品世界,2010(8)

[2]王莹,李希靖.我国汽车电子业现状及部分新技术探悉.电子产品世界,2011(8)

[3]张喜庆.cRIO平台助力电动汽车充电系统研发——快速原型与硬件在环仿真. 电子产品世界,2011(3)

[4]李健.汽车的未来：插上网络的翅膀. 电子产品世界,2012(3)

[5]何耀华.汽车级IGBT在混合动力车中的应用.电子产品世界,2010(3)

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