高温 “烤” 验下，芯片厂商怎么帮助电车做好“热管理”？

夏天到了，电动车热管理是如何给电池和电机 “退烧降温”的？

电动汽车冬天续航里程下降大家都清楚，开暖气后续航里程暴跌30%，又或者无法充电，甚至电池报警？实际上夏天开空调，也会影响里程续航，这一切都和热管理息息相关，今天我们就来说一说。

在传统的燃油车中，发动机燃烧产生的热量可用来为乘客舱、发动机机油等供热。而电动汽车的热效率非常高，所以电池和电机等内部部件的很难作为热源使用。因此，电动汽车需要加热器来保持舒适的车内温度，这就需要从驾驶用的电池汲取宝贵的电能。

此外，用于电动汽车的锂离子电池必须要根据环境温度进行冷却或加热，以最大化提高电池性能并延长车辆驾驶距离。如果锂离子电池过热或过冷，不仅会缩短使用寿命，还会直接导致充电时间延长、行驶距离缩短以及其他性能下降。简而言之，鉴于舒适性和电池节能的双重要求，有效的热控制对于电动汽车来说远比燃油车更重要。也正因此在电动汽车中，热管理系统在功耗方面仅次于动力总成系统，提高加热和冷却系统的系统级效率可直接影响续航里程。

由于燃油车配备的电池容量通常很小（HEV车型的电池容量大，可以使用电动压缩机），因此无法匹配电子压缩机，只能选择机械压缩机来作为空调制冷的手段。虽然机械压缩机相比电动压缩机会增加油耗，但是在前装的一次性成本上也节约了1000元左右，燃油车整车热管理系统的成本仅在两、三千元上下。而到了电动车时代，热管理系统成本暴涨，占比仅次于三电系统。

电池和电机都有最佳温度

尽管电动车的电池和电机热效率超过90%，几乎不产生废热，但依然要对其工作温度加以控制。   

电池的最佳工作温度：20-35℃是锂电池的最佳工作区间。低于0℃时，活性物质反应变慢，充放电功率下降50%；超过45℃，电池寿命加速衰减，甚至可能引发热失控。

电机的温度要求：电机电控系统工作时温度可达100℃以上，若散热不及时，永磁体可能退磁，效率下降15%以上。  

搭载高效热管理系统的电动车，冬季续航可比无系统车型多跑100公里以上，电池寿命延长2-3年。毫不夸张地说，热管理系统是电动车从「能用」到「好用」的关键跃迁。

热管理技术的三次进化

第一代：风冷为主，粗放控温

早期小型电动车采用空气冷却，通过风扇强制散热。但风冷效率极低（换热系数仅20-100 W/(m²·K)），控温精度超过±5℃，仅适用于电池容量小于20kWh的车型。典型场景比如48V微混电池普遍采用风冷，但在快充时仍需配合液冷辅助。

第二代：液冷普及，精准控温

液冷技术通过冷却液（乙二醇水溶液）循环散热，换热系数可达1000-5000 W/(m²·K)，控温精度提升至±2℃。宁德时代的麒麟电池创新采用「电芯夹液冷板」布局，将液冷板置于两块电芯之间，热传导效率提升30%，同时降低相邻电芯热失控风险。  

第三代：集成热循环的热泵，能量复用

特斯拉在Model Y的热管理系统中没有单独设置外置冷凝器，而是通过热交换器和管路连接，与电池回路和电机回路进行耦合，实现整个热管理系统的热量交互，同时进一步集成化，采用了集成歧管模块和集成阀门模块。该系统通过控制膨胀阀开度，止向阀动作来控制冷媒的循环，通过控制八通阀的位置来控制冷却液的循环，最终可实现12种制热模式及3种制冷模式来应对不同工况需求，降低了单车能耗，增加续航里程。

无论是电机还是PTC，都离不开芯片的作用，包括控制，传感，驱动/功率等是系统的主要组成。

接下来就顺路盘点一下各家芯片厂商的主流产品。

纳芯微

纳芯微详细的指出了三个子系统，包括热管理控制器、PTC以及电动压缩机 

热管理控制器通过控制各种电机（BDC、BLDC、双极步进电机）来实现对关键热管理器件（电动水泵、冷却剂阀和 膨胀装置等）的操作，并通过 CAN-FD 与区域控制器相连，以实现对电动汽车的电池，电驱动以及乘客舱等进行热管理。 

纳芯微提供包括位置、压力检测，嵌入式电机驱动，电机驱动，电源管理，接口以及电路保护、电压基准等产品组合。

PTC是Positive Temperature Coefficient的缩写，电动汽车上的PTC是指通过给电阻丝/陶瓷等正温度系数热材料通电后，自动调节车辆所需的热量，确保电动汽车的能效和安全性。

纳芯微有各种传感器及采样、驱动、功率器件、电源管理、接口以及电路保护、电压基准等等产品系列。

电动压缩机是电动汽车HVAC系统的组成部分，其主要功能是帮助座舱和传动系统降温，并在寒冷天气下给座舱和电池加热。

压缩机和PTC类似，纳芯微提供的产品也类似，只不过在功率器件上可以提供更多的产品，包括SIC或IGBT等。

英飞凌

因为不同零部件或者位置的最佳工作温度不一样，例如电机，电控，电池，座舱等，所以需要一套系统对整车的热量进行精细化的调节，从而提高整车的系统热效率，进而提高续航里程。这套系统往往由水泵，冷却液多通阀和膨胀阀等组成。因为它们的位置比较靠近，所以该系统逐渐从分布式走向集中式。 

因为纯电动汽车没有传统油车的皮带轮，所以这些执行器往往通过电机驱动。即使是插电式混动汽车，在追求系统高效率的驱动下，厂家往往希望热管理系统执行器与发动机皮带轮解耦，从而进行更灵活的调节。为此，英飞凌基于丰富的MOTIX™系列产品和MCU家族，可以根据客户需求，灵活地提供热管理系统的低压执行器系统级驱动解决方案。

英飞凌全面的热管理产品组合包括车内制冷剂回路（HVAC 系统）、电池冷却和加热系统以及逆变器冷却系统。此外，英飞凌还提供集成的热管理系统，这常常被采用电池液冷技术的OEM使用。

热管理在纯电动汽车 (BEV) 中，对于减小电动机产生的热量起着至关重要的作用。这给保持最佳温度带来了挑战，需要以降低续航里程为代价来为乘客提供额外的加热。快速充电进一步推动了对精确散热管理的需求。由于许多充电网络采用功率高达350 kW的直流快速充电站，因此电池必须在狭窄的温度窗口内运行，以最大限度地提高充电功率。 

有效的热管理可防止消磁、绝缘材料老化、效率降低甚至电机烧毁等问题。 它还可以延长电池寿命，并防止热失控。

包括MOTIX在内，英飞凌提供了如下主要产品：

基于 Arm® Cortex®-M 的 MOTIX™ MCU 在单芯片上集成了 32 位微控制器、非易失性闪存、模拟和混合信号外设、通信接口以及继电器、半桥或全桥直流和 BLDC 电机应用所需的驱动级。

TRAVEO™ T2G MCU 基于 Arm® Cortex®-M4/M7 内核，具有增强的人机界面和先进的网络协议。

Automotive PSoC™ 4 是一款可重新配置的嵌入式 MCU，采用 Arm® Cortex®-M0+ CPU、可编程模拟和数字模块以及灵活的自动路由。

XENSIV™ magnetic sensors 带有I2C的磁传感器具有三维磁性测量功能，可适应各种平台。

OptiMOS™ power MOSFETs 提供优秀的RDS(on)性能。

以控制目标为基础，可以将复杂的热管理系统进行抽象化，化繁为简，可以得到下图的结构简图。一般而言，水泵由三相BLDC驱动，冷却液多通阀由BDC电机驱动，膨胀阀由步进电机或者BLDC电机驱动，通过ADC采集温度传感器和液位传感器的信号。这些执行器和传感器的数量取决于汽车的系统设计。因为系统执行器比较多，需要的通信带宽比较高，所以一般采用CAN通信。

针对这些执行器和传感器，基于英飞凌丰富的MOTIX™和MCU家族，提出了两种解决方案：一种是TRAVEO™ T2G + SBC + Driver + Bridge，另外一种为TRAVEO™ T2G + Embedded Power + Bridge。方案一采用一颗中央MCU管理和控制其他driver和bridge，在后期软件升级和控制的实时性上有很好的优势，但是后期扩展会稍微麻烦。第二种热管理系统低压执行器驱动方案，其中每个BLDC水泵由一个TLE987x控制，控制软件直接运行在TLE987x芯片中，且软件可以复用，所以如果后期需要增加水泵数量只需要复用一份TLE987x驱动硬件即可。

方案一与方案二对比

德州仪器

由于混合动力汽车/电动汽车中较高的电压而引入的全新 HVAC 控制模块带来了新的挑战，例如电源隔离、EMI 和微步进期间的失速。通过将典型的电路拓扑与隔离式 FlyBuck-Boost 转换器、栅极驱动器和步进电机驱动器等产品结合使用，可以顺利地从 ICE HVAC 系统转向混合动力汽车/电动汽车 HVAC 系统。

电源管理

对于混合动力汽车/电动汽车，有高耗电加热和冷却子系统，例如 BLDC 电机或 PTC 加热器。但是模块中的其余子系统通常都是低功耗的，例如 MCU、栅极驱动器、温度传感器和其余电路。典型的方法是直接通过可用的较高电压（800V、400V 或 48V）为需要高耗电负载供电，通过 12V 电压轨为板上的电路供电。

可以将隔离栅放置在系统的输入端或输出端。上图显示了位于系统输入端的隔离栅，其中大多数系统元件都位于高压侧。在这种情况下，12V 电源和通信接口需要隔离元件。相反，如果要将隔离栅放置在系统的输出端，则大多数电路元件应位于低压侧。在这种情况下，该模块将使用隔离式栅极驱动器来驱动晶体管。

栅极驱动器

可以使用三相桥驱动器集成电路 (IC) 来驱动逆变器级的晶体管。不过，由于驱动强度较低（< 500mA），因此三相桥式驱动器解决方案通常需要额外的缓冲器来充当电流提升器。这意味着：需要额外的元件，这将转化为额外的成本；印刷电路板 (PCB) 的尺寸会增大；由于非理想 PCB 布局产生的寄生效应，会导致整个系统面临 EMI 风险并具有更大的传播延迟，从而导致性能下降。 

为了帮助尽可能地减小晶体管的开关损耗并降低 EMI 以提高系统效率，请考虑使用半桥栅极驱动器（如 UCC27712-Q1）。

从栅极驱动器的角度而言，EMI 通常与栅极的过冲有关。 图 10 所示的半桥栅极驱动器方法有助于去除多余的元件并降低 PCB 布局的复杂性，因为您可以将驱动器放置在非常靠近晶体管的位置，同时还将开关节点限制在最小范围内。这些操作将减少 EMI 挑战。此外，半桥栅极驱动器不需要使用外部增压级来放大栅极驱动电流，因为该 IC 可以实现大拉电流和灌电流。半桥驱动器通常可实现互锁和死区时间功能，防止两个输出端同时导通并提供足够的裕度来有效驱动晶体管，从而防止半桥击穿。

步进电机驱动器

如果步进电机驱动器驱动热泵系统中的阀，则步进电机驱动器应具有的一项重要功能是失速检测，也就是驱动器电子设备检测到电机已停止运转（因为它撞到了机械块，尤其是在电机微步进时）的功能。微步进可以实现非常精确的阀位置控制。

由于电机线圈由脉宽调制 (PWM) 信号驱动，因此 EMI 确实会成为一个问题。步进电机驱动器必须还能够驱动负载扭矩。 

DRV8889-Q1 等器件集成了电机电流感应和高级电路，可帮助在微步进期间检测失速。DRV8889-Q1 还包含可编程压摆率控制和扩频技术，以帮助降低 EMI。

Allegro

当下全球正处于向电动汽车（EV）转型的过程中，优化车辆所依赖的众多子系 统变得尤为重要。其中一个关键组件是热管理系统（TMS），它的作用是保持电池、电力电子设备、电动机以及车厢的最佳运行温度。 

TMS 的普遍要求和发展趋势给电源芯片和传感器供应商带来了包括功率密度、效率和精度、大带宽、高功率管理、集成和小型化等方面的诸多挑战。  

Allegro 为客户提供全面的解决方案，使电动汽车的热管理系统更加灵活和可扩展，具有低噪音和精确控制能力，从而提高能源效率。 

效率

• 无需编程的无传感器电机驱动器简化了设计，消除了对微控制器和软件开发的需求。

• 电流传感器具有低电阻和电气隔离特性。

• 电子压缩机中的 HV 栅极驱动器改善了温度控制和设计。

灵活性和可扩展性

• 通过完全可编程的 SoC 无传感器电机驱动器优化风扇和泵的功能。

• 隔离式栅极驱动器减少了占用空间、PCB面积和总体成本。

低噪音和精确控制

• QuietMotion 电机驱动器可在启动时将噪音降至最低，简化了电机控制。

• 高精度位置反馈确保了高效的热交换和精确的温度控制

总结

文中介绍了纳芯微、英飞凌、德州仪器和Allegro等多家芯片厂商针对电动车热管理系统提供的解决方案，包括传感器、驱动器、功率MOSFETs等组件，这些产品有助于实现精确控制、高效能和低噪音操作，进而提高了电动车的能源效率和用户体验。有效的热管理不仅确保了电动车在极端天气条件下的可靠运行，也是推动电动车从“能用”向“好用”转变的关键因素。