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2021年12月23日 | 如何通过集成动力总成系统降低电动汽车成本并增加行驶里程
2021-12-23
如果可以用更少的器件实现更多的汽车应用，既能减轻车重、降低成本，又能提高可靠性。这就是集成电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)设计背后的理念。
什么是集成动力总成？
集成动力总成旨在将车载充电器(OBC)、高压直流/直流(HV DCDC)转换器、逆变器和配电单元(PDU)等终端设备结合到一起。机械、控制或动力总成级别均可进行集成，如图1所示。
图1：电动汽车典型架构概述
为什么动力总成集成有利于混合动力汽车/电动汽车？
集成动力总成终端设备组件能够实现以下优势：
提高功率密度。
提高可靠性。
优化成本。
简化设计和组装，并支持标准化和模块化。
高性能集成动力总成解决方案：电动汽车普及的关键
市场应用现状
实现集成动力总成的方法有很多。图2以车载充电器和高压直流/直流转换器集成为例，简要介绍了用于在结合动力总成、控制电路和机械组件时实现高功率密度的四种常见方法。它们分别是：
方法1：形成独立的系统。这种方法已不如几年前流行。
方法2：可以分为两个步骤：
直流/直流转换器和车载充电器共享机械外壳，但拥有各自独立的冷却系统。
同时共享外壳和冷却系统（最常选用的方法）。
方法3：进行控制级集成。这种方法正在演变为第4种方法。
方法4：相比于其他三种方法，此方法由于减少了电源电路中的电源开关和磁性元件，所以成本优势更大，但它的控制算法也更复杂。
图2：车载充电器和直流/直流转换器集成的四种常见方法
表1概括了目前市场上的集成架构。
可降低电磁干扰(EMI)的高压三合一集成：车载充电器、高压直流/直流转换器和配电单元的集成 （方法3） | 集成架构：车载充电器和高压直流/直流转换器的集成 （方法4） | 43kW充电器设计：车载充电器、牵引逆变器和牵引电机的集成（方法4） |
·6.6kW车载充电器 ·2.2kW直流/直流转换器 ·配电单元 *第三方数据报告显示，这类设计能够使体积和重量减少大概40%，并且使功率密度提高大概40% | ·6.6kW车载充电器 ·1.4kW直流/直流转换器 ·磁集成 ·共享电源开关 ·共享控制单元 （一个微控制器[MCU]控制的功率因数校正级，一个微控制器控制的直流/直流级，以及一个高压直流/直流转换器） | ·交流充电功率高达43kW ·共享电源开关 ·共享电机绕组 |
表1：动力总成集成的三种成功实现
借助C2000实时微控制器（例如新发布的TMS320F280039C-Q1MCU），EV和HEV动力总成设计人员可针对车载充电器-功率因数校正、车载充电器-直流/直流转换器和高压转低压直流/直流应用采用分立和集成架构。此外，TMS320F280039C-Q1可通过单个MCU实现对多个功率级的实时控制管理，从而缩小动力总成的尺寸并降低成本。多个参考设计中体现了如何使用单个MCU实现多个动力总成子系统的集成。
表2展示了可帮助设计人员实现多种分立和集成动力总成拓扑的C2000 MCU产品系列。
设计需求 | OBC PFC | OBC直流/直流 | 高压转低压直流/直流 |
低廉的隔离成本 | F28002x | F28003x | F28003x |
模块化开发 | F28004x/F28003x | F28003x | |
F28002x | F28004x/F28003x | ||
集成式实时控制 | F2837x/F2838x | ||
表2：推荐用于不同级别的动力总成集成的C2000微控制器
动力总成集成方框图
图3为一个动力总成的方框图，该动力总成实现了电源开关共享和磁集成的架构。
图3：集成架构中的电源开关和磁性组件共享
如图3所示，车载充电器和高压直流/直流转换器都连接至高压电池，因此车载充电器和高压直流/直流转换器的全桥额定电压相同。这样，便可以通过全桥使得车载充电器和高压直流/直流转换器实现电源开关共享。
此外，将图3所示的两个变压器集成在一起还可以实现磁集成。这是因为它们在高压侧的额定电压相同，能够最终形成三端变压器。
性能提升
图4展示了如何通过内置降压转换器来帮助提升低压输出的性能。
图4：提升低压输出的性能
当这个集成拓扑在高压电池充电条件下工作时，高压输出可得到精确控制。但是，由于变压器的两个端子耦合在一起，所以低压输出的性能会受到限制。有一个简单的方法可以提升低压输出性能，那就是添加一个内置降压转换器。但这样做的代价就是会导致成本增加。
共享组件
像车载充电器和高压直流/直流转换器集成一样，车载充电器中的功率因数校正级和三个半桥的额定电压非常接近。如图5所示，这使得两个终端设备元器件共享的三个半桥能共享电源开关，从而降低成本并提升功率密度。
图5：动力总成集成设计中的组件共享
由于一个电机一般有三个绕组，因此也可以将这些绕组用作车载充电器中的功率因数校正电感器，借此实现磁集成。这也有助于降低设计成本和提高功率密度。
结束语
从低级别的机械集成到高级别的电子集成，集成的发展仍在继续。随着集成级别的提高，系统的复杂性也将增加。但是，每种架构变体都会带来不同的设计挑战，包括：
为进一步优化性能，必须精心设计磁集成。
采用集成系统时，控制算法会更加复杂。
设计高效的冷却系统，以适应更小型系统的散热需求。
灵活性是动力总成集成的关键。众多方法任您选择，您可以任意地探索各种级别的集成设计。
其他资源
阅读效率为98.6%且适用于HEV/EV车载充电器的6.6kW图腾柱PFC参考设计。
关于德州仪器(TI)
德州仪器（TI）（纳斯达克股票代码：TXN）是一家全球性的半导体公司，致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用，创造一个更美好的世界。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础之上，使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用，这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。
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