通過集成動力總成系統降低電動汽車成本并增加行駛里程
發布時間：2021-12-23 17:52
發布者：eechina
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作者：德州儀器 如果可以用更少的器件實現更多的汽車應用，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)設計背后的理念。 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備組件能夠實現以下優勢： • 提高功率密度。 • 提高可靠性。 • 優化成本。 • 簡化設計和組裝，并支持標準化和模塊化。 高性能集成動力總成解決方案：電動汽車普及的關鍵 市場應用現狀 實現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/直流轉換器集成為例，簡要介紹了用于在結合動力總成、控制電路和機械組件時實現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。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。 • 同時共享外殼和冷卻系統（最常選用的方法）。 • 方法3：進行控制級集成。這種方法正在演變為第4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和磁性元件，所以成本優勢更大，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。 表1：動力總成集成的三種成功實現
借助C2000 實時微控制器（例如新發布的TMS320F280039C-Q1MCU），EV和HEV動力總成設計人員可針對車載充電器-功率因數校正、車載充電器-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可通過單個MCU實現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。多個參考設計中體現了如何使用單個MCU實現多個動力總成子系統的集成。 表2展示了可幫助設計人員實現多種分立和集成動力總成拓撲的C2000 MCU產品系列。 表2：推薦用于不同級別的動力總成集成的C2000微控制器
動力總成集成方框圖 圖3為一個動力總成的方框圖，該動力總成實現了電源開關共享和磁集成的架構。
圖3：集成架構中的電源開關和磁性組件共享 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/直流轉換器實現電源開關共享。 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展示了如何通過內置降壓轉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，那就是添加一個內置降壓轉換器。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/直流轉換器集成一樣，車載充電器中的功率因數校正級和三個半橋的額定電壓非常接近。如圖5所示，這使得兩個終端設備元器件共享的三個半橋能共享電源開關，從而降低成本并提升功率密度。
圖5：動力總成集成設計中的組件共享 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校正電感器，借此實現磁集成。這也有助于降低設計成本和提高功率密度。 結束語 從低級別的機械集成到高級別的電子集成，集成的發展仍在繼續。隨著集成級別的提高，系統的復雜性也將增加。但是，每種架構變體都會帶來不同的設計挑戰，包括： • 為進一步優化性能，必須精心設計磁集成。 • 采用集成系統時，控制算法會更加復雜。 • 設計高效的冷卻系統，以適應更小型系統的散熱需求。 靈活性是動力總成集成的關鍵。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。 其他資源 · 閱讀效率為98.6%且適用于HEV/EV車載充電器的6.6kW圖騰柱PFC參考設計。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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