德州仪器多合一动力总成系统解决方案,助力新能源汽车快速实现轻量、高效、降本

当汽车应用程序可以用更少的零件完成更多的工作时,就可以在减少重量和成本的同时提高可靠性,这就是将电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV设计与多合一动力总成系统相整合的思路。

什么是多合一动力总成组合架构?

多合一动力总成组合架构整合了诸如车载充电器(OBC)、高电压DC/DCHV DCDC)、逆变器和配电单元(PDU)等动力系统终端器件。如图1所示,可在机械、控制或动力系统级别应用整合。

1:电动汽车标准架构概述

为什么多合一动力总成系统最适合HEV/EV

多合一动力总成系统能够实现:

  • 提高功率密度。
  • 增加可靠性。
  • 优化成本。
  • 具有标准化和模块化能力,设计和组装更简易。

当前市场上的多合一动力总成系统应用

有多种不同的方法来实现多合一动力总成系统,但是图2概述了四种最常见的方法(以车载充电器和高电压DC/DC组合框为例),以便在组合动力系统、控制电路和机械时实现高功率密度。选项包括:

带有独立系统的选项1;人气逐渐降低。

选项2可以分为两个步骤:

  • 共享DC/DC转换器和车载充电器的机械外壳,但拆分独立的冷却系统。
  • 共享外壳和冷却系统(最常见的选择)。

具有控制级整合的选项3当前正发展到选项4

选项4具有最佳的成本优势,因为电源电路中的电源开关和磁性元件较少,但是它的控制算法也最为复杂。

2OBCDC/DC多合一动力总成系统的四个最常见选项

1概述了当今市场上的多合一动力总成系统。

OBC、高电压DC/DCPDU三合一高电压整合,可优化电磁干扰(EMI)(选项3

整合了车载充电器和高电压DC/DC转换器的多合一动力总成系统(选项4

43 kW充电器设计,整合了车载充电器、牵引逆变器和牵引电机(选项4

  • 6.6 kW车载充电器
  • 2.2 kW直流/直流
  • 配电单元

 

*第三方数据报告表明:此类设计可减少约40%的重量和体积并提升40%的功率密度

  • 6.6 kW车载充电器
  • 1.4 kW直流/直流
  • 磁性整合
  • 共享功率开关器件
  • 共享控制单元

(一个微控制器[MCU]控制功率因数校正级、一个MCU控制DC/DC级和一个高电压DC/DC

  • 车载充电器高达43KW
  • 共享三相桥功率开关器件
  •  电机绕组复用为OBC PFC电感         

 

(一个MCU控制牵引电机驱动和车载充电机OBC(PFC + LLC) )

表1:三个成功实现的多合一动力总成系统

动力系统组合框图

3描绘了一个动力系统框图。该框图实现了具有功率开关器件共享和磁性整合功能的多合一动力总成系统。

3:多合一动力总成系统中的电源开关和电磁共享

如图3所示,OBC和高电压DC/DC转换器都连接到高电压电池,因此车载充电器和高电压DC/DC的全桥额定电压相同,使得车载充电器和高电压DC/DC的全桥共享功率开关器件成为可能。

此外,将图3所示将两个变压器整合在一起即可实现磁性整合。由于它们在高电压侧具有相同的额定电压,因此最终可能成为三端变压器。

提升性能

4所示为如何内置降压转换器以帮助改善低电压输出的性能。


4:改善低电压输出的性能

当此组合拓扑在高电压电池充电条件下工作时,高电压输出将得到精确控制。但是,由于变压器的两个端子耦合在一起,因此低电压输出的性能将受限。一种改善低电压输出性能的简易方法是添加一个内置降压转换器,但该方法需要权衡额外成本。

共享组件

如同OBC和高电压DC/DC整合一样,车载充电器的PFC三相桥和牵引电机驱动器的三相桥中的额定电压非常接近。如图5所示,即能实现车载充电器和牵引电机驱动器的三相桥共享功率开关器件,可以降低成本并提高功率密度。

5:在组合框设计中共享组件

由于电机中通常有三个绕组,因此也可通过在OBC中共享绕组作为功率因数校正电感器来实现磁性整合,这也有助于降低设计成本并提高功率密度。

结论

从低级机械整合到高级电子整合,一直在不断发展。系统复杂度将随着整合级别的提高而增加。但是每个多合一动力总成系统变型都会有不同的设计挑战,包括:

  • 需要仔细设计磁性整合以达到最佳性能。
  • 对于整合系统,控制算法将更加复杂。
  • 设计高效的冷却系统,以散发较小系统中的所有热量。
  • 灵活性是多合一动力总成系统的关键。多样化的选项为用户提供了在任意级别上探索设计的机会。

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