通過集成動(dòng)力總成系統(tǒng)降低電動(dòng)汽車成本并增加行駛里程

如果可以用更少的器件實(shí)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(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)設(shè)計(jì)背后的理念。

什么是集成動(dòng)力總成？

集成動(dòng)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(jī)械、控制或動(dòng)力總成級(jí)別均可進(jìn)行集成，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車典型架構(gòu)概述

為什么動(dòng)力總成集成有利于混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車？

集成動(dòng)力總成終端設(shè)備組件能夠?qū)崿F(xiàn)以下優(yōu)勢(shì)：

●   提高功率密度。

●   提高可靠性。

●   優(yōu)化成本。

●   簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和組裝，并支持標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。

高性能集成動(dòng)力總成解決方案：電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵

市場(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

實(shí)現(xiàn)集成動(dòng)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(jiǎn)要介紹了用于在結(jié)合動(dòng)力總成、控制電路和機(jī)械組件時(shí)實(shí)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(dú)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(gè)步驟：

●   直流/直流轉(zhuǎn)換器和車載充電器共享機(jī)械外殼，但擁有各自獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。

●   同時(shí)共享外殼和冷卻系統(tǒng)（最常選用的方法）。

●   方法3：進(jìn)行控制級(jí)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(shì)更大，但它的控制算法也更復(fù)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(chǎng)上的集成架構(gòu)。

表1 動(dòng)力總成集成的三種成功實(shí)現(xiàn)

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(shè)計(jì)人員可針對(duì)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(gè)MCU實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)功率級(jí)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(shè)計(jì)中體現(xiàn)了如何使用單個(gè)MCU實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)力總成子系統(tǒng)的集成。

表2展示了可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)多種分立和集成動(dòng)力總成拓?fù)涞腃2000 MCU產(chǎn)品系列。

表2 推薦用于不同級(jí)別的動(dòng)力總成集成的C2000微控制器

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(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(shí)現(xiàn)電源開關(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(xiàn)磁集成。這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邏簜?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(dāng)這個(gè)集成拓?fù)湓诟邏弘姵爻潆姉l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(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器。但這樣做的代價(jià)就是會(huì)導(dǎo)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(jí)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(shè)備元器件共享的三個(gè)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(dòng)力總成集成設(shè)計(jì)中的組件共享

由于一個(gè)電機(jī)一般有三個(gè)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(shí)現(xiàn)磁集成。這也有助于降低設(shè)計(jì)成本和提高功率密度。

結(jié)束語

從低級(jí)別的機(jī)械集成到高級(jí)別的電子集成，集成的發(fā)展仍在繼續(xù)。隨著集成級(jí)別的提高，系統(tǒng)的復(fù)雜性也將增加。但是，每種架構(gòu)變體都會(huì)帶來不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括：

●   為進(jìn)一步優(yōu)化性能，必須精心設(shè)計(jì)磁集成。

●   采用集成系統(tǒng)時(shí)，控制算法會(huì)更加復(fù)雜。

●   設(shè)計(jì)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(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(jí)別的集成設(shè)計(jì)。