通過集成動力總成系統(tǒng)降低電動汽車成本并增加行駛里程
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如果可以用更少的器件實現(xiàn)更多的汽車應(yīng)用，既能減輕車重、降低成本，又能提高可靠性。這就是集成電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)設(shè)計背后的理念。
本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/202112/430507.htm什么是集成動力總成？
集成動力總成旨在將車載充電器(OBC)、高壓直流/直流(HV DCDC)轉(zhuǎn)換器、逆變器和配電單元(PDU)等終端設(shè)備結(jié)合到一起。機械、控制或動力總成級別均可進行集成，如圖1所示。
圖1 電動汽車典型架構(gòu)概述
為什么動力總成集成有利于混合動力汽車/電動汽車？
集成動力總成終端設(shè)備組件能夠?qū)崿F(xiàn)以下優(yōu)勢：
● 提高功率密度。
● 提高可靠性。
● 優(yōu)化成本。
● 簡化設(shè)計和組裝，并支持標準化和模塊化。
高性能集成動力總成解決方案：電動汽車普及的關(guān)鍵
市場應(yīng)用現(xiàn)狀
實現(xiàn)集成動力總成的方法有很多。圖2以車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器集成為例，簡要介紹了用于在結(jié)合動力總成、控制電路和機械組件時實現(xiàn)高功率密度的四種常見方法。它們分別是：
● 方法1：形成獨立的系統(tǒng)。這種方法已不如幾年前流行。
● 方法2：可以分為兩個步驟：
● 直流/直流轉(zhuǎn)換器和車載充電器共享機械外殼，但擁有各自獨立的冷卻系統(tǒng)。
● 同時共享外殼和冷卻系統(tǒng)（最常選用的方法）。
● 方法3：進行控制級集成。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 車載充電器和直流/直流轉(zhuǎn)換器集成的四種常見方法
表1概括了目前市場上的集成架構(gòu)。
表1 動力總成集成的三種成功實現(xiàn)
| 可降低電磁干擾(EMI)的高壓三合一集成：車載充電器、高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器和配電單元的集成 （方法3） | 集成架構(gòu)：車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的集成 （方法4） | 43kW充電器設(shè)計：車載充電器、牽引逆變器和牽引電機的集成 （方法4） |
● 6.6kW車載充電器 ● 2.2kW直流/直流轉(zhuǎn)換器 ● 配電單元 *第三方數(shù)據(jù)報告顯示，這類設(shè)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車載充電器 ● 1.4kW直流/直流轉(zhuǎn)換器 ● 磁集成 ● 共享電源開關(guān) ● 共享控制單元 （一個微控制器[MCU]控制的功率因數(shù)校正級，一個微控制器控制的直流/直流級，以及一個高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器） | ● 交流充電功率高達43kW ● 共享電源開關(guān) ● 共享電機繞組 |
借助C2000
實時微控制器（例如新發(fā)布的TMS320F280039C-Q1MCU），EV和HEV動力總成設(shè)計人員可針對車載充電器-功率因數(shù)校正、車載充電器-直流/直流轉(zhuǎn)換器和高壓轉(zhuǎn)低壓直流/直流應(yīng)用采用分立和集成架構(gòu)。此外，TMS320F280039C-Q1可通過單個MCU實現(xiàn)對多個功率級的實時控制管理，從而縮小動力總成的尺寸并降低成本。多個參考設(shè)計中體現(xiàn)了如何使用單個MCU實現(xiàn)多個動力總成子系統(tǒng)的集成。
表2展示了可幫助設(shè)計人員實現(xiàn)多種分立和集成動力總成拓撲的C2000 MCU產(chǎn)品系列。
表2 推薦用于不同級別的動力總成集成的C2000微控制器
設(shè)計需求 | OBC PFC | OBC直流/直流 | 高壓轉(zhuǎn)低壓直流/直流 |
低廉的隔離成本 | F28002x | F28003x | F28003x |
模塊化開發(fā) | F28004x/F28003x | F28003x | |
F28002x | F28004x/F28003x | ||
集成式實時控制 | F2837x/F2838x | ||
動力總成集成方框圖
圖3為一個動力總成的方框圖，該動力總成實現(xiàn)了電源開關(guān)共享和磁集成的架構(gòu)。
圖3 集成架構(gòu)中的電源開關(guān)和磁性組件共享
如圖3所示，車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器都連接至高壓電池，因此車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的全橋額定電壓相同。這樣，便可以通過全橋使得車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電源開關(guān)共享。
此外，將圖3所示的兩個變壓器集成在一起還可以實現(xiàn)磁集成。這是因為它們在高壓側(cè)的額定電壓相同，能夠最終形成三端變壓器。
性能提升
圖4展示了如何通過內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器來幫助提升低壓輸出的性能。
圖4 提升低壓輸出的性能
當這個集成拓撲在高壓電池充電條件下工作時，高壓輸出可得到精確控制。但是，由于變壓器的兩個端子耦合在一起，所以低壓輸出的性能會受到限制。有一個簡單的方法可以提升低壓輸出性能，那就是添加一個內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器。但這樣做的代價就是會導致成本增加。
共享組件
像車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器集成一樣，車載充電器中的功率因數(shù)校正級和三個半橋的額定電壓非常接近。如圖5所示，這使得兩個終端設(shè)備元器件共享的三個半橋能共享電源開關(guān)，從而降低成本并提升功率密度。
圖5 動力總成集成設(shè)計中的組件共享
由于一個電機一般有三個繞組，因此也可以將這些繞組用作車載充電器中的功率因數(shù)校正電感器，借此實現(xiàn)磁集成。這也有助于降低設(shè)計成本和提高功率密度。
結(jié)束語
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(xù)。隨著集成級別的提高，系統(tǒng)的復雜性也將增加。但是，每種架構(gòu)變體都會帶來不同的設(shè)計挑戰(zhàn)，包括：
● 為進一步優(yōu)化性能，必須精心設(shè)計磁集成。
● 采用集成系統(tǒng)時，控制算法會更加復雜。
● 設(shè)計高效的冷卻系統(tǒng)，以適應(yīng)更小型系統(tǒng)的散熱需求。
靈活性是動力總成集成的關(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(shè)計。
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