电子化开启汽车新概念时代

　　新的EV和HEV汽车需要两项基本的技术：大容量蓄电池和高效的电动马达。这些技术需要使用高于到目前为止汽车一直使用的标准12V电压，现在汽车中具有48V或120V，或288V甚至更高的电压。这推动业界开发经优化在这些电压下工作的功率半导体器件。飞兆半导体全球汽车销售及应用副总裁Joseph Notaro认为该公司拥有应对这一挑战的有利条件，提供最广泛、最全面的功率产品组合(功率MOSFET、IGBT和功率二极管)，涵盖从30V直到1200V的整个电压范围。功率半导体和封装技术的新发展可以减少功耗和重量，从而推动减少CO2排放，并且提升燃料经济效益。功率半导体技术的新发展是电动马达使用增加的核心(不仅驱动辅助负载，并且驱动主要的牵引逆变器)。

德州仪器半导体事业部汽车电子业务拓展经理姜辉认为，新能源汽车的主要技术难点在于动力总成，核心应用主要包括主电机驱动，整车控制器以及电池管理。其对MCU的安全性，实时处理以及电机控制都提出较高的要求。TI的TMS570最新推出的产品具有丰富的控制电机的外设和接口(ePWM、eQEP、eCAP)，能够更便利地控制电机，同时保障安全性。其高达180MHz主频、3MB Flash的配置也非常适合整车控制器的应用。同时，对于电池管理的安全性要求的提升也使得TMS570‘超值线’广受青睐。除此之外，TMS570全系列支持AutoSAR操作系统，也使得整车的开发更加灵活。”

　　同时，成本也需要进一步降低。特别是电池成本很重要，关乎行驶距离问题。如今缺少的是良好的电池充电基础设施。安森美半导体全球汽车电子方案总监贺宝康(Herve Branquart)看到，行业转向新能源汽车的发展过程也不会太顺利，因为政府征收传统汽车的燃油税，如果想令电动汽车获更广泛的使用，还须顾及如何转报成电力/费的问题。混合动力汽车的未来则更明朗，尤其是在微混合技术方面，将会使用更小的电池、更小的电动发动机及热动发动机来为电池充电。电能的本地化生产也很重要。混合动力也是非常适合于市区驾驶的技术。如果电池与交流主电源之间有低阻抗连接，而且使用相对慢的充电过程，那么插电式混合动力及纯电动汽车的能效就能提升至最高。如果摒弃这两项主要限制条件，能效将始终降低。高能效的感应充电方案及快速电池充电技术的改进还需做更多的工作，但这些汽车中的功率电子电路的能效并非主要障碍。通过汽车行业合格认证的大功率电子的供应商数量未来几年将需扩大，新的进展将以更低的成本提供同样提高的能效。在电池监测方面，相当多的竞争硅方案几乎无法配合系统要求的不断变化。IC供应商与广泛的客户群需要有效的关乎安全的设计衔接沟通。最后，电池组的能效与其系统成本将会靠主动式平衡等技术获改进。

德州仪器半导体事业部汽车电子业务拓展经理姜辉指出，电池管理系统(BMS)作为电池蓄能及动力输出的枢纽，对于HEV/EV系统扮演着相当重要的角色。TI提供完整的电动汽车电池管理解决方案组合，在整个宽温范围内提供量测电压精准度以及高噪声环境下最可靠的通讯传输模式。德州仪器的主动均衡技术专注于锂离子电池的双向隔离电感的均衡。TI在隔离式DC-DC主动均衡技术的能源转换效率高达87%。另外，采用被动均衡方式的明星产品bp76PL455 芯片具备16通道，每路最高5V电压输出。目前已被多家车厂采用进入方案设计验证阶段，尤其适合仅需要小容量电池包的混合动力车。同时，TI是唯一的能提供满足ISO26262 ASIL-D要求的BMS解决方案的半导体厂商。

　　由串联、高能量密度、高峰值功率锂聚合物或锂铁磷酸 (LiFePO4) 电池组成的大型电池组被普遍用于全电动 (EV 或 BEV) 和混合燃气 / 电动汽车 (HEV 和插电式混合电动汽车或 PHEV)、储能系统 (ESS) 等各种应用。据预测，电动汽车市场对大规模串联 / 并联电池组将有很强的需求。PEV 和 EV 销售在 2012 ~ 2020 年度的复合增长率 (CAGR) 将达到 37.4%。凌力尔特公司电源产品市场总监Tony Armstrong看到，对大容量电池的需求越来越强烈，而电池价格一直非常高，是 EV 或 PHEV 价格最高的组件。对于能行驶几十公里范围的电池，其价格通常就要超过 10,000 美元。高成本可以通过使用低成本 / 翻新电池来减轻成本压力，但这类电池会有较大的容量不匹配问题，这会缩短可使用时间和一次充电后的行驶距离。即使是成本较高、质量较好的电池也会老化，不断重复使用会导致电池失配。要提高不匹配电池的电池组容量，可以通过两种方式来实现：开始时采用较大的电池，但这样做非常不符合成本效益;或采用主动平衡技术，这一新技术能够恢复电池组的电池容量，有快速上升的势头。　　

　　当一个电池组中的每节电池具备相同的电荷状态 (SoC) 时，这些电池就是“平衡”的。SoC 指的是每一电池随着它的充电和放电，相对于其最大容量的剩余容量。在电动型汽车和电网存储系统中，这些数值是典型的SoC 限制，电动型汽车和电网存储系统使用非常大和非常昂贵的电池，更换费用极高。电池管理系统 (BMS) 的主要作用是，仔细监视电池组中的所有电池，确保每一节电池的充电或放电都不超出该应用充电状态限制的最小值和最大值。

测试的挑战

　　汽车电子测试系统越来越需要突破性的解决方案，来降低测试成本，为厂商提供更强的竞争优势。汽车电子的系统及部件也越来越多，竞争也越来越大，最为突出的就是成本的降低。汽车电子作为智能嵌入式系统的典型应用，是当前汽车设计中新的推动力量。每秒做出数千个决策的各种复杂嵌入式设备的采用，使最新的安全和效率技术成为可能。不管是设计简单地调节镜子的系统，还是设计监控并行混合动力装置的系统，都离不开嵌入式系统技术。嵌入式设备的使用及在整个车辆中传送关键信息，使得设计、调试和检验汽车的这些设计所需的测试过程的复杂程度都提高了。而更低成本的嵌入式系统测量测试技术来使汽车生产商获得更多竞争优势，并使其获得更加广泛的应用。

　　泛华恒兴ATE方向技术主管阚宏伟介绍，为了减少开发周期、降低测试成本，仿测一体技术将得到更广泛和深入的应用，尤其在汽车发动机电控单元开发过程中。通过这种技术，在设计阶段就可以通过各种模型仿真实际汽车使用工况，测试硬件输出状态，使问题暴露在设计开发阶段。对汽车电子零部件来说，复杂性越来越高，例如汽车点火线圈越来越多的采用多点点火技术，即在一个气缸做功行程，多次点火使油气混合物能够更充分的燃烧，提高发动机效率并能有效的降低排放。点火线圈测试中点火波形参数是非常重要的判据，点火波形频率的提高对测量系统波形的捕获能力和计算分析能力提出了更高的要求，采用泛华PXI总线设备，保证硬件高速采集，然后通过软件对波形分析处理能够很好的解决这个问题。

　　汽车传感器是汽车的鼻子、耳朵和眼睛，是汽车智能化和电子化的基础，有着广泛的应用前景。汽车传感器测试最大的挑战是物理环境的创建，比如氧传感器测试需要有不同配比的气体介质模拟汽车尾气成分，爆震传感器需要提供振动源模拟汽车发动机体的振动状态…并且汽车上的电磁环境、温度环境是多样和复杂的，这些往往都需要在测试系统中能够模拟，进行复合测试。泛华汽车传感器验证平台针对整车厂家和零部件厂的应用需求，可以对汽车上常用的传感器，如轮速、曲轴、凸轮轴、压力、温度、油位等，进行性能测试和高低温环境下的耐久性测试，且可以达到汽车上极限使用状态，如模拟发动机转速到10000RPM，使用环境温度-40℃。

　　随着混合动力汽车的发展，更高效的逆变技术、传动系统和电动转向(EPS)等技术的应用，越来越需要完善的测试工具，以迅速简便地对动力进行系统测试。这将对汽车电子的测量项目提出新的挑战，例如：功率器件、磁性器件的能耗、效率、安全工作条件及系统对负荷变化和RF瞬态信号的响应，当然这只是其中一小部分。所以完善的系统、器件分析测试工具是解决这些挑战的方案之一。泰克公司中国区行业渠道电力电子开发经理王跃伟认为，该公司的汽车电子测试方案如示波器、高压/电流探头、功率测量软件和参数测试以及最新的功率分析仪可以很好地应对这方面的测试挑战。

　　电机是新能源汽车的主要动力来源，其在新能源汽车中的应用也为嵌入式控制系统开发人员和测试工程师带来了新的挑战，速度便是其一。电子驱动引擎控制单元(ECU)控制算法的运行速度必须远快于内部燃烧引擎的动力传达ECU。更快的速度需求使得传统的HIL测试不足以支持测试电机ECU。而电机的仿真必须具备高仿真精度，HIL测试系统则必须在1 µs的时间内执行仿真模型，以充分显示电机的实际操作。之前，高精度仿真和高速度运行似乎不可能并存，许多测试工程师不得不因此采用更为昂贵的测功器或现场测试来验证他们的嵌入式软件。

　　JSOL公司与NI合作开发了用于NI VeriStand的JMAG附加软件模块，JSOL是JMAG机电设计和开发仿真软件的缔造者。该附加软件模块使用由FEA生成的电感与反电动势(EMF)数据，进行电机模型的实时仿真。由于电机结构的不对称性会产生非正弦通量和电流，经典的D-Q模型就不再适用，这时就需要采用FEA技术。混合动力汽车制造商采用了高速电机，这对于优化生产空间和成本来说十分重要。