汽车电气化的部分关键技术及ST的解决方案

付志凯

1 汽车电气化的趋势和挑战

汽车市场中与电气化相关的应用是减少交通碳排放影响的关键因素。

中国领导人在2020年9月提出中国要在2030年碳达峰，2060年实现碳中和的目标。为了实现碳中和，减少能源使用中的碳排放是其中的重要一环。电能是清洁、高效的能源品种，用电能作为主要的能源消耗可以大幅减少碳排放。同时也要发展低排放的清洁能源作为主要发电的能源。中国交通运输行业碳排放占比达10%，而公路运输占其中的74%，主要来自燃油车的排放。因此，发展电动汽车并逐渐从燃油车过渡到电动汽车对减少碳排放具有必要性。

意法半导体（ST）作为全球领先的汽车芯片供应商，深耕汽车电气化领域多年，针对汽车电气化的核心部件——牵引逆变器（traction inverter）、电池管理系统（BMS）、整车控制器（VCU）、车载充电器（OBC）、DC-DC转换器，都有相应的产品及整体解决方案。

2 ST的解决方案

提高效率和功率密度是电动汽车的主要趋势之一，主要集中在对牵引逆变器的改进上。目前市面上大部分逆变器都是采用IGBT，也有一些已经在向SiC过渡。相比IGBT，SiC在耐压、能源损耗、热导率上有明显优势。据某车厂测算，SiC逆变器的高效率可以使整车续航里程增加5%～10%。ST在汽车SiC领域是行业的领导者。此外，ST还提供整套具备功能安全的SiC逆变器系统解决方案，产品包括有3个主频200 MHz高性能核的MCU SPC58NN，兼容IGBT/SiC且支持功能安全的汽车级大电流驱动芯片L9502E等。SiC逆变器当前最大的挑战是成本，但是随着应用越来越多，成本将不会是一个问题。

BMS的趋势是高精度、高可靠性。ST针对BMS专门研发的模拟前端芯片（AFE）L9963E具有强大的功能。它具備0 μs同步采样，内置14个独立ADC。多个L9963E可以采用菊花链连接方式，通过变压器隔离接口与一个主处理器进行通信，L9963E还支持内部均衡同时开启等功能。

无线BMS也将是一个趋势，无线技术可以省去很多整车线束，有效降低BoM（物料清单）、制造和里程成本。不过大多数的无线BMS还处于早期的技术研究阶段，需要考虑EMC、通信带宽、安全性等问题。

随着整车的电子化程度提高，电子电器架构由数十个电子控制单元（ECU）逐步向几个域控制器发展。采用域控制器的架构可以简化整车错综复杂的线束，解决低效的控制逻辑且具有可拓展性。在这方面，ST的高集成度且支持功能安全的MCU Stellar系列是一个范例，其首批样品已交付主要客户。该MCU内置Arm？ Cortex？-R52多核处理器，具有硬件虚拟化功能和专用硬件加速器核，且集成非易失性相变存储器（PCM）。