目前全球各大車廠都在積極發展電動車,然而許多設計讓成本無法有效降低,德州儀器發展許多相關的產品,讓傳動系統可以有效整合並縮小體積,降低電動車的成本。
在追求環保的潮流之下,電動交通工具成了許多廠商發展的重要目標,其中電動車更是許多傳統汽車與新創公司的目標之一。在電動車還可分為純電動車、混合動力、輕混合等不同種類,除了純動電車之外,都是運用燃油引擎搭配馬達而來,只是運用方式與功率不同。
目前市場已經有不少款電動車問市,高性能純電動車都屬於高階車款,售價也高。根據統計,目前一台電動車的平均生產成本,比一台傳統燃油汽車高出 12,000美元。汽車業者在致力符合各國碳排放法規的同時,也必須讓電動車的價格更實惠,才能刺激消費者換購混合動力或電動車。
TI擁有電動車傳動系統整合方案以提高性能並降低成本
在電動車設計時,想要提升效能與可靠度、增加續航里程,同時又要降低動力傳動系統的成本,是十分艱鉅的挑戰。由於動力傳動系統占一台電動車成本比重極高,動力傳動系統整合便能成為解決方案的關鍵之一。
電動車的傳動系統由多個子系統組成
現行混合動力車與電動車的動力傳動系統由多個子系統組成,以驅動車輛移動,整個系統包含電池、DC/DC 直流對直流轉換器、車載充電器與牽引逆變器等,各安置在不同位置。隨著類比與嵌入式處理技術持續發展,設計人員現在能透過單一區域控制器與功率級,將這些系統進一步整合,不只有助提高效能與可靠度、降低成本,更能滿足車輛功能性安全需求。
TI 擁有不同產品協助整合傳動系統
傳統與整合架構的比較
若能將動力傳動系統整合至單一且精巧的機械箱體內,改善電動車動力傳動架構後,生產客戶能省下 50%的系統設計成本,同時達到功率密度最大化、提高效能、優化可靠度,提升電動車價格競爭力。此外,還能簡化設計與組裝流程,而節省額外包材、冗餘硬體,便能大幅減少系統重量與體積。
運用氮化鎵等半導體技術可提升電力效率
重量對車輛的性能影響很大,當傳統系統整合而減輕重量時,就能提升整體性能,也能讓電池的續航力變長。當然,透過提高功率密度來改善效能的創新技術也非常重要。採用車用氮化鎵(GaN)技術等新科技的電動車能以更高的效率運作、減少熱能損耗而提升續航力。整合後需要的散熱零組件也相對減少,也能降低成本。
氮化鎵材料製作的寬能隙開關,加上更好的高速閘極驅動器,未來可望改變整個產業,因為這種組合能減少磁性元件體積60%,降低整體重量與成本。
使用TI的微控制器等產品可簡化散熱提升電動車可靠度與性能
能夠處理複雜電源轉換需求的即時微控制器(MCU),是實現整合式動力傳動架構的關鍵。TI C2000 MCU具有超低延遲的優點,擁有高達 1 至 2MHz的切換頻率,只需要較小的電感器、電容器等外部零組件即可。
有即時感測功能加上更高的控制環路切換頻率,可將牽引馬達的轉速提升到 20,000 RPM,如此馬達體積能縮小三分之一以上,性能卻比過去轉速最高只有10,000 RPM提升許多。
運用氮化鎵/碳化矽等技術產品可將傳動系統成本與尺寸降低一半
整合式動力傳動架構配備單一場域即時微控制器後,系統能有效處理分散於不同系統、多個微控制器的工作。在高度整合的設計中,即時微控制器能同時擁有數位電源與馬達控制功能,在提升效能的同時節省寶貴的空間。
無論是電動車或傳統燃油車,系統可靠度都非常重要。在整合式動力傳動系統架構中,因可能故障的零件較少,可靠度更高。整合式系統本身雖然具備多項優勢,但要確保電動車高壓電池系統的可靠度,仍需要穩健的保護功能與最佳化的散熱。
產品可符合 ISO 26262 ASIL D 標準
設計人員能透過絕緣技術解決這類難題,採用專為嚴苛駕駛環境設計、經過性能檢測的絕緣式閘極驅動器與調變器。整合式診斷也是保障安全的重要關鍵,而且有助動力傳動系統符合 ASIL-D 車輛安全完整性規範。這項認證不只是道路車輛功能安全的最高級別,也是電動車製造業者面臨的主要挑戰。
電動車市場正在快速成長,目前全球約 560萬輛電動車,估計至2025年電動車將占全球汽車總銷量的30%。整合式動力傳動系統已經研究證實能提高功率密度40%至50%,且能大幅降低設計體積、重量,同時提升可靠度,勢必成為加速電動車市場成長的一大助力。
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