汽車(chē)行業(yè)從兩方面推動(dòng)提高燃油效率和降低二氧化碳排放量，這對(duì)支持這些平臺(tái)所需的傳感系統(tǒng)以及電池管理系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的各個(gè)方面提出了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

為了在給定電池容量的情況下最大化每次充電的行駛里程，整個(gè)電源轉(zhuǎn)換鏈必須盡可能實(shí)現(xiàn)最高效率。在下一代電動(dòng)汽車(chē)和自動(dòng)駕駛路線圖虛擬會(huì)議的小組討論中，三位行業(yè)專(zhuān)家研究了電動(dòng)汽車(chē)制造商、原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商面臨的動(dòng)力總成挑戰(zhàn)。ADI 公司電池管理系統(tǒng)總經(jīng)理 Mike Kultgen 參加了 EE Times/Power Electronics 的討論；安森美半導(dǎo)體全球汽車(chē)戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Joseph Notaro；Allegro MicroSystems 技術(shù)和產(chǎn)品高級(jí)副總裁 Mike Doogue。以下是他們談話中的一些亮點(diǎn)。

電力技術(shù)

EE Times/電力電子新聞：電動(dòng)汽車(chē)革命正在加速邁向更可持續(xù)的未來(lái)。EV 電池和推進(jìn)系統(tǒng)是提高車(chē)輛設(shè)計(jì)性能的關(guān)鍵。相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)是車(chē)輛動(dòng)力總成系統(tǒng)中的功率水平、轉(zhuǎn)換效率、工作溫度、熱能耗散能力和系統(tǒng)封裝。您如何看待這些領(lǐng)域的進(jìn)展和挑戰(zhàn)？

Mike Doogue：市場(chǎng)正在迅速?gòu)膬?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)過(guò)渡到電氣化動(dòng)力系統(tǒng)。所以，很明顯，在電力系統(tǒng)中，測(cè)量電流是一件非常重要的事情。Allegro 的電流傳感器幫助我們的客戶(hù)提高效率、擴(kuò)大范圍并提高汽車(chē)的性能。

我們使用磁原理來(lái)測(cè)量電流，因此我們實(shí)際上測(cè)量的是載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因此，我們實(shí)際上不需要與該導(dǎo)體建立電氣連接，因此我們可以感測(cè)位于接地電位或 800 伏特的導(dǎo)體上的電流水平，從小到非常大的電流。當(dāng)您使用電流隔離進(jìn)行感應(yīng)時(shí)，IC 本身確實(shí)不知道您感應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上的電壓差異，因?yàn)槟鷽](méi)有將半導(dǎo)體器件與該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電氣連接。它為我們的設(shè)備提供了很大的靈活性，不僅在工作電壓方面；我們可以以相當(dāng)高的精度測(cè)量低至 1 安培到 4,000 多安培的電流。與基于分流器和放大器的解決方案相比，我們可以提供具有更低歐姆熱損耗的解決方案，尤其是需要光隔離器的解決方案。我們?cè)?IC 中內(nèi)置了隔離功能，它們被用來(lái)幫助提高性能，[在設(shè)計(jì)中] 從逆變器到充電器、DC/DC 和電池管理系統(tǒng)。

Mike Kultgen：確實(shí)有三類(lèi)興趣。有動(dòng)力系統(tǒng)，其中電池是該系統(tǒng)的主要組成部分。有自動(dòng)駕駛或 ADAS，您確實(shí)需要高效、低噪聲和緊湊的電源。然后，當(dāng)然，還有機(jī)艙體驗(yàn)；無(wú)論是音頻還是平視顯示器，都需要降噪。電動(dòng)汽車(chē)正在真正改變車(chē)內(nèi)體驗(yàn)。專(zhuān)注于動(dòng)力系統(tǒng)方面，我的業(yè)務(wù)主要在電池領(lǐng)域，我們嘗試做的是安全地最大化電池組的能量吞吐量，因?yàn)檫@真正轉(zhuǎn)化為客戶(hù)體驗(yàn)，即更長(zhǎng)的行駛里程, 更快的充電，甚至更低的成本，如果你能用更少的電池獲得更多的里程。

因此，在電池領(lǐng)域有很多有趣的問(wèn)題需要解決。它主要是電池測(cè)量，[例如，] 試圖在 800 伏共模電壓之上提取 4 伏電池電壓，并獲得 1 毫伏的分辨率。可能有數(shù)百伏的瞬變；電池內(nèi)部的環(huán)境非常困難，非常惡劣。還有其他動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用：逆變器、車(chē)載充電器。我們提供圍繞開(kāi)關(guān)的東西，隨著該業(yè)務(wù)向碳化硅過(guò)渡，將需要專(zhuān)門(mén)的柵極驅(qū)動(dòng)器；總是需要隔離的電源。對(duì)于艙內(nèi)體驗(yàn)，處理能力不斷提高，對(duì)這些設(shè)備供電的要求也在不斷提高。然后再次，

Joseph Notaro：我們專(zhuān)注于 ADAS/自動(dòng)駕駛和電動(dòng)汽車(chē)。在 ADAS/自動(dòng)駕駛中，我認(rèn)為問(wèn)題在于我們?nèi)绾紊蓴?shù)據(jù)、操縱數(shù)據(jù)、移動(dòng)數(shù)據(jù)，而在 EV 中，我們實(shí)際上如何管理能源？所以，能量實(shí)際上是由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的。而這正是重點(diǎn)所在。因?yàn)榻裉?，從事汽?chē)行業(yè)是令人興奮的，尤其是電動(dòng)汽車(chē)。真正的挑戰(zhàn)在于技術(shù)。我們?nèi)绾潍@得更好的材料和更好的電池？我們?nèi)绾握嬲玫毓芾砟茉矗档统杀?，同時(shí)解決消費(fèi)者面臨的充電和里程焦慮等挑戰(zhàn)？第二個(gè)方面是基礎(chǔ)設(shè)施。

因此，我們的使命是創(chuàng)造節(jié)能半導(dǎo)體，幫助世界變得更綠色、更安全、更包容和更互聯(lián)。這是基于兩個(gè)支柱。一是技術(shù)。我們希望為我們的合作伙伴提供最佳解決方案，以創(chuàng)建節(jié)能系統(tǒng)。另一個(gè)是制造——不僅能夠制造零件，而且能夠大批量生產(chǎn)這個(gè)新興市場(chǎng)所需的零件，并以高質(zhì)量和低成本可靠地制造它們。[要實(shí)現(xiàn)] 更高的效率，您希望最大限度地利用油箱的能量，[從而] 為車(chē)輪充電，這樣您就可以花更多的時(shí)間駕駛而減少充電的時(shí)間。這確實(shí)是我們的使命，也是我們關(guān)注的重點(diǎn)。

電池管理系統(tǒng)

EE Times/電力電子新聞：在構(gòu)建大型電池組時(shí)，需要電池監(jiān)控和電池平衡以在電池組的整個(gè)生命周期內(nèi)保持高電池容量。電池管理系統(tǒng)解決方案如何解決這個(gè)問(wèn)題，目前最先進(jìn)的技術(shù)是什么？

庫(kù)爾特根：任何電池管理系統(tǒng)的目標(biāo)都是安全地從電池組中獲取最多的能量和功率，因?yàn)樽畲蟮耐掏铝繒?huì)影響車(chē)輛。安全至上。所以，在你談任何事情之前，你先考慮安全；它影響電子設(shè)計(jì)、電池單元設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件、溫度控制系統(tǒng)——包裝中的一切。每個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心是測(cè)量和平衡電池組中的每個(gè)電池。這可能是數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)電池，其中一些是并聯(lián)的，最先進(jìn)的技術(shù)是使用高達(dá) 800 伏的共模電壓測(cè)量電池組中的每個(gè)電池電壓、電流和溫度，并且數(shù)百伏特和噪聲，并在高達(dá) 85°C 的中等溫度范圍內(nèi)進(jìn)行這些測(cè)量，甚至 125°C。因此，測(cè)量精度是關(guān)鍵。

EE Times/電力電子新聞：雖然越來(lái)越需要尋找能夠徹底改變我們移動(dòng)方式的環(huán)保系統(tǒng)，?還需要確保新的綠色技術(shù)在價(jià)格和性能方面盡可能高效和有效。增加更高電壓的電池以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的功率要求，反過(guò)來(lái)又增加了供電架構(gòu)的復(fù)雜性，并對(duì)尺寸和效率提出了新的要求。有許多電氣化選擇，但大多數(shù)制造商選擇 48 伏輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，而不是全混合動(dòng)力系統(tǒng)。48 伏技術(shù)在哪里插入未來(lái)的移動(dòng)性？您如何看待全電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向更高電壓（即 800 伏）的趨勢(shì)？這將如何影響功率器件的選擇？

Doogue：不同地方采用的架構(gòu)不同；輕度混合動(dòng)力汽車(chē)是真實(shí)的。當(dāng)然，許多行業(yè)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，嚴(yán)重依賴(lài) 48 伏電池的輕度混合動(dòng)力汽車(chē)的數(shù)量將大幅增加；我們看到我們的客戶(hù)發(fā)生了這種情況。因此，我們確實(shí)相信 EV 革命的這一部分是真實(shí)的，48 伏電池供電的輕度混合動(dòng)力車(chē)將在未來(lái)幾年推動(dòng)市場(chǎng)上的一些銷(xiāo)量。與此同時(shí)，800 伏技術(shù)也在加速加速。有時(shí)我想提醒自己，很多這樣的技術(shù)已經(jīng)存在，電動(dòng)公交車(chē)和其他車(chē)輛已經(jīng)在使用 800 伏電池。我們已經(jīng)開(kāi)始看到，無(wú)論是保時(shí)捷還是其他一級(jí)制造商，[公司] 采用 800 伏技術(shù)。

Notaro：48 伏系統(tǒng)絕對(duì)是與車(chē)輛 IC 兼容的系統(tǒng)，因此今天您可以升級(jí)車(chē)輛并真正降低 CO 2以相對(duì)較低的成本排放。48 伏 [段] 是現(xiàn)實(shí)；市場(chǎng)上有很多汽車(chē)。到 2025 年，四分之一的新車(chē)將實(shí)現(xiàn)電氣化；從 2030 年開(kāi)始，[至少]一半將通電，這實(shí)際上是 48 伏和 400 至 800 伏的組合。因此，肯定有一個(gè)不斷增長(zhǎng)且具有巨大優(yōu)勢(shì)的市場(chǎng)。另一方面，當(dāng)我們查看插電式電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，您就會(huì)開(kāi)始看到更高電壓的價(jià)值，因?yàn)樽罱K您必須處理物理問(wèn)題——您無(wú)法改變這一點(diǎn)。當(dāng)我們現(xiàn)在考慮為插電式電氣化的高壓而使 [動(dòng)力系統(tǒng)] 電氣化時(shí)，隨之而來(lái)的是基礎(chǔ)設(shè)施。即使是 48 伏的輕度混合動(dòng)力車(chē)，您也需要一個(gè)獨(dú)立的基礎(chǔ)設(shè)施。

圖 1：48V 技術(shù)（來(lái)源：Analog Devices）

圖 2：跨平臺(tái)解決方案（來(lái)源：Allegro MicroSystems）

圖 3：快速充電驅(qū)動(dòng)增加了電池電壓。（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

大流行的影響

EE Times/電力電子新聞：在制造方面，Covid-19 大流行引起的當(dāng)前問(wèn)題是什么（如果有的話）？對(duì)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)有何影響？我認(rèn)為，通過(guò)更加果斷地推動(dòng)該市場(chǎng)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)，這種情況可能會(huì)為更環(huán)保的未來(lái)提供良好的牽引力和良好的推動(dòng)力。

庫(kù)爾特根：我們現(xiàn)在面臨的是在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈在制造的每一步都面臨產(chǎn)能短缺的時(shí)候?qū)﹄妱?dòng)汽車(chē)的前所未有的需求。因此，在需求方面，在某些地區(qū)，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量同比增長(zhǎng) 300%，而此時(shí)您知道汽車(chē)市場(chǎng)正試圖恢復(fù)正常。其中一些是 [a result] 政府相關(guān)的刺激計(jì)劃有利于電動(dòng)汽車(chē)，尤其是在歐洲（也許中國(guó)上海是另一個(gè)例子）。我認(rèn)為 COVID 封鎖讓我們意識(shí)到了空氣質(zhì)量。新的在家工作、在家玩的場(chǎng)景改變了人們的購(gòu)買(mǎi)習(xí)慣，也改變了人們的優(yōu)先事項(xiàng)。它改變了您使用汽車(chē)的定義。但它也創(chuàng)造了對(duì)汽車(chē)世界以外的半導(dǎo)體和電子產(chǎn)品的這種需求，這對(duì)汽車(chē)世界產(chǎn)生了影響。在供應(yīng)方面，我們關(guān)注晶圓、引線框架、組裝能力、半導(dǎo)體加工設(shè)備和測(cè)試設(shè)備的短缺。

杜格：我在我們的行業(yè)——或者說(shuō)在汽車(chē)行業(yè)——看到，在大流行的早期，許多企業(yè)并不知道這一切將如何結(jié)束，因此節(jié)省現(xiàn)金是大多數(shù)公司采取的關(guān)鍵策略。結(jié)果，我們看到了一份關(guān)于某些公司最重要的研發(fā)項(xiàng)目的明確聲明。他們正在削減可以省錢(qián)的地方，但某些程序是不可觸及的；這些是定義未來(lái)的最重要的計(jì)劃。我們?cè)谡麄€(gè)大流行中看到的可能是從工程和開(kāi)發(fā)的角度加速對(duì)電動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)的關(guān)注。我認(rèn)為 [觀察是] 支持各汽車(chē)公司談?wù)撍麄兂兄Z 100% 電動(dòng)，無(wú)論 [by] 2030 或 2035。

Notaro：現(xiàn)在是壓力大的時(shí)候。電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)真正由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而能源管理在汽車(chē)中確實(shí)占主導(dǎo)地位。所以現(xiàn)在，不僅是汽車(chē)，還有工業(yè)、云[基礎(chǔ)設(shè)施]——所有這些應(yīng)用都將需要大量電力。未來(lái)五年，功率器件的供應(yīng)將非常有限。我們更多地關(guān)注碳化硅，因?yàn)槟菚r(shí)你會(huì)關(guān)注襯底，所以我們非常關(guān)注制造方面。但是市場(chǎng)上的電力需求將猛增，這將在供應(yīng)鏈上創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì) [但也會(huì)增加需求]。

基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題

EE Times/電力電子新聞：基礎(chǔ)設(shè)施是我們必須面對(duì)的下一個(gè)挑戰(zhàn)。讓我們想想電網(wǎng)以及需要更多充電站和智能電網(wǎng)來(lái)管理我們的電動(dòng)汽車(chē)。是否可以增加太陽(yáng)能等清潔能源的使用，確保電動(dòng)汽車(chē)零排放？

庫(kù)爾特根：電動(dòng)汽車(chē)的綠色程度取決于為其充電的能源，因此我們必須意識(shí)到這一點(diǎn)。然后是車(chē)輛的制造：如果它有大量的碳足跡，那么在環(huán)境影響方面，我們真正做了什么？因此，我們傾向于關(guān)注整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，尤其是電池領(lǐng)域。電池是如何生產(chǎn)的，如何最大限度地利用它們以減少碳足跡？您會(huì)看到歐盟已經(jīng)實(shí)施了一些標(biāo)準(zhǔn)，例如電池的數(shù)字護(hù)照，以確保其整體占用空間很小。我們著眼于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)以及我們可以在哪些方面發(fā)揮作用來(lái)幫助解決這個(gè)問(wèn)題。顯然，當(dāng)涉及到電網(wǎng)時(shí)，二級(jí)存儲(chǔ)將有助于平衡電網(wǎng)。我們的電池管理系統(tǒng)可以從汽車(chē)中取出，直接應(yīng)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能。我們都在電池制造領(lǐng)域發(fā)揮作用，以使用最少的能量制造出最高容量的電池。

道格：我們?cè)?Allegro 的使命宣言之一是將世界上的技術(shù)推向更安全、更可持續(xù)的未來(lái)。所以，當(dāng)我們[某人]像我的鄰居一樣，我們感到非常自豪和高興，他屋頂上有太陽(yáng)能電池板，車(chē)庫(kù)墻上有一個(gè)充電盒，里面停著他的特斯拉。我想我們都知道需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大量投資。我知道這會(huì)很昂貴，但我也相信創(chuàng)新，我相信創(chuàng)新可以使情況更易于管理。人們談?wù)撁總€(gè)人下班回家并同時(shí)插入電動(dòng)汽車(chē)的 [幽靈]，從而在電網(wǎng)上產(chǎn)生峰值負(fù)載。但這是一個(gè)非常容易解決的問(wèn)題。通過(guò)一些創(chuàng)新、調(diào)度和附加技術(shù)，也許可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行控制，我們可以降低電網(wǎng)的壓力。

Notaro：基礎(chǔ)設(shè)施可能是當(dāng)今最大的挑戰(zhàn)；[為解決這個(gè)問(wèn)題而出現(xiàn)的不同舉措和投資就證明了這一點(diǎn)]。您每次都需要為 EV 充滿(mǎn)電，但重點(diǎn)是您可以獲得前 50% 到 80% 的電量，然后這些汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)非常棒。我有一輛插電式混合動(dòng)力車(chē)，我很驚訝我能開(kāi)多遠(yuǎn)，即使電池沒(méi)電，僅僅因?yàn)榛謴?fù)。所以，這只是心態(tài)上的差異。但政府將不得不加強(qiáng)，因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)[它]的公司受到嚴(yán)格監(jiān)管。所以這是即將到來(lái)的挑戰(zhàn)之一。

然后你將擁有替代技術(shù)。例如，商用車(chē)的燃料電池將是一個(gè)很好的解決方案。我始終相信工程師會(huì)為任何問(wèn)題找到正確的解決方案。

審核編輯 黃昊宇