通過(guò)集成動(dòng)力總成系統降低電動(dòng)汽車(chē)成本并增加行駛里程
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如果可以用更少的器件實(shí)現更多的汽車(chē)應用，既能減輕車(chē)重、降低成本，又能提高可靠性。這就是集成電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)設計背后的理念。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202112/430507.htm什么是集成動(dòng)力總成？
集成動(dòng)力總成旨在將車(chē)載充電器(OBC)、高壓直流/直流(HV DCDC)轉換器、逆變器和配電單元(PDU)等終端設備結合到一起。機械、控制或動(dòng)力總成級別均可進(jìn)行集成，如圖1所示。
圖1 電動(dòng)汽車(chē)典型架構概述
為什么動(dòng)力總成集成有利于混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)？
集成動(dòng)力總成終端設備組件能夠實(shí)現以下優(yōu)勢：
● 提高功率密度。
● 提高可靠性。
● 優(yōu)化成本。
● 簡(jiǎn)化設計和組裝，并支持標準化和模塊化。
高性能集成動(dòng)力總成解決方案：電動(dòng)汽車(chē)普及的關(guān)鍵
市場(chǎng)應用現狀
實(shí)現集成動(dòng)力總成的方法有很多。圖2以車(chē)載充電器和高壓直流/直流轉換器集成為例，簡(jiǎn)要介紹了用于在結合動(dòng)力總成、控制電路和機械組件時(shí)實(shí)現高功率密度的四種常見(jiàn)方法。它們分別是：
● 方法1：形成獨立的系統。這種方法已不如幾年前流行。
● 方法2：可以分為兩個(gè)步驟：
● 直流/直流轉換器和車(chē)載充電器共享機械外殼，但擁有各自獨立的冷卻系統。
● 同時(shí)共享外殼和冷卻系統（最常選用的方法）。
● 方法3：進(jìn)行控制級集成。這種方法正在演變?yōu)榈?種方法。
● 方法4：相比于其他三種方法，此方法由于減少了電源電路中的電源開(kāi)關(guān)和磁性元件，所以成本優(yōu)勢更大，但它的控制算法也更復雜。
圖2 車(chē)載充電器和直流/直流轉換器集成的四種常見(jiàn)方法
表1概括了目前市場(chǎng)上的集成架構。
表1 動(dòng)力總成集成的三種成功實(shí)現
| 可降低電磁干擾(EMI)的高壓三合一集成：車(chē)載充電器、高壓直流/直流轉換器和配電單元的集成 （方法3） | 集成架構：車(chē)載充電器和高壓直流/直流轉換器的集成 （方法4） | 43kW充電器設計：車(chē)載充電器、牽引逆變器和牽引電機的集成 （方法4） |
● 6.6kW車(chē)載充電器 ● 2.2kW直流/直流轉換器 ● 配電單元 *第三方數據報告顯示，這類(lèi)設計能夠使體積和重量減少大概40%，并且使功率密度提高大概40% | ● 6.6kW車(chē)載充電器 ● 1.4kW直流/直流轉換器 ● 磁集成 ● 共享電源開(kāi)關(guān) ● 共享控制單元 （一個(gè)微控制器[MCU]控制的功率因數校正級，一個(gè)微控制器控制的直流/直流級，以及一個(gè)高壓直流/直流轉換器） | ● 交流充電功率高達43kW ● 共享電源開(kāi)關(guān) ● 共享電機繞組 |
借助C2000
實(shí)時(shí)微控制器（例如新發(fā)布的TMS320F280039C-Q1MCU），EV和HEV動(dòng)力總成設計人員可針對車(chē)載充電器-功率因數校正、車(chē)載充電器-直流/直流轉換器和高壓轉低壓直流/直流應用采用分立和集成架構。此外，TMS320F280039C-Q1可通過(guò)單個(gè)MCU實(shí)現對多個(gè)功率級的實(shí)時(shí)控制管理，從而縮小動(dòng)力總成的尺寸并降低成本。多個(gè)參考設計中體現了如何使用單個(gè)MCU實(shí)現多個(gè)動(dòng)力總成子系統的集成。
表2展示了可幫助設計人員實(shí)現多種分立和集成動(dòng)力總成拓撲的C2000 MCU產(chǎn)品系列。
表2 推薦用于不同級別的動(dòng)力總成集成的C2000微控制器
設計需求 | OBC PFC | OBC直流/直流 | 高壓轉低壓直流/直流 |
低廉的隔離成本 | F28002x | F28003x | F28003x |
模塊化開(kāi)發(fā) | F28004x/F28003x | F28003x | |
F28002x | F28004x/F28003x | ||
集成式實(shí)時(shí)控制 | F2837x/F2838x | ||
動(dòng)力總成集成方框圖
圖3為一個(gè)動(dòng)力總成的方框圖，該動(dòng)力總成實(shí)現了電源開(kāi)關(guān)共享和磁集成的架構。
圖3 集成架構中的電源開(kāi)關(guān)和磁性組件共享
如圖3所示，車(chē)載充電器和高壓直流/直流轉換器都連接至高壓電池，因此車(chē)載充電器和高壓直流/直流轉換器的全橋額定電壓相同。這樣，便可以通過(guò)全橋使得車(chē)載充電器和高壓直流/直流轉換器實(shí)現電源開(kāi)關(guān)共享。
此外，將圖3所示的兩個(gè)變壓器集成在一起還可以實(shí)現磁集成。這是因為它們在高壓側的額定電壓相同，能夠最終形成三端變壓器。
性能提升
圖4展示了如何通過(guò)內置降壓轉換器來(lái)幫助提升低壓輸出的性能。
圖4 提升低壓輸出的性能
當這個(gè)集成拓撲在高壓電池充電條件下工作時(shí)，高壓輸出可得到精確控制。但是，由于變壓器的兩個(gè)端子耦合在一起，所以低壓輸出的性能會(huì )受到限制。有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法可以提升低壓輸出性能，那就是添加一個(gè)內置降壓轉換器。但這樣做的代價(jià)就是會(huì )導致成本增加。
共享組件
像車(chē)載充電器和高壓直流/直流轉換器集成一樣，車(chē)載充電器中的功率因數校正級和三個(gè)半橋的額定電壓非常接近。如圖5所示，這使得兩個(gè)終端設備元器件共享的三個(gè)半橋能共享電源開(kāi)關(guān)，從而降低成本并提升功率密度。
圖5 動(dòng)力總成集成設計中的組件共享
由于一個(gè)電機一般有三個(gè)繞組，因此也可以將這些繞組用作車(chē)載充電器中的功率因數校正電感器，借此實(shí)現磁集成。這也有助于降低設計成本和提高功率密度。
結束語(yǔ)
從低級別的機械集成到高級別的電子集成，集成的發(fā)展仍在繼續。隨著(zhù)集成級別的提高，系統的復雜性也將增加。但是，每種架構變體都會(huì )帶來(lái)不同的設計挑戰，包括：
● 為進(jìn)一步優(yōu)化性能，必須精心設計磁集成。
● 采用集成系統時(shí)，控制算法會(huì )更加復雜。
● 設計高效的冷卻系統，以適應更小型系統的散熱需求。
靈活性是動(dòng)力總成集成的關(guān)鍵。眾多方法任您選擇，您可以任意地探索各種級別的集成設計。
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