德州儀器多合一動力總成系統(tǒng)解決方案，助力新能源汽車快速實現(xiàn)輕量、高效、降本

當汽車應用程序可以用更少的零件完成更多的工作時，就可以在減少重量和成本的同時提高可靠性，這就是將 電動汽車（EV）和混合電動汽車（HEV） 設計與多合一動力總成系統(tǒng)相整合的思路。

什么是多合一動力總成組合架構？

多合一動力總成系統(tǒng)整合了諸如車載充電器（OBC）、高電壓DC/DC（HV DCDC）、逆變器和配電單元（PDU）等動力系統(tǒng)終端器件。如圖1所示，可在機械、控制或動力系統(tǒng)級別應用整合。

圖1：電動汽車標準架構概述

為什么多合一動力總成系統(tǒng)最適合HEV/EV？

多合一動力總成系統(tǒng)能夠實現(xiàn)：

●   提高功率密度。

●   增加可靠性。

●   優(yōu)化成本。

●   具有標準化和模塊化能力，設計和組裝更簡易。

當前市場上的多合一動力總成系統(tǒng)應用

有多種不同的方法來實現(xiàn)多合一動力總成系統(tǒng)，但是圖2概述了四種最常見的方法（以車載充電器和高電壓DC/DC組合框為例），以便在組合動力系統(tǒng)、控制電路和機械時實現(xiàn)高功率密度。選項包括：

●   帶有獨立系統(tǒng)的選項1；人氣逐漸降低。

●   選項2可以分為兩個步驟：

●   共享DC/DC轉換器和車載充電器的機械外殼，但拆分獨立的冷卻系統(tǒng)。

●   共享外殼和冷卻系統(tǒng)（最常見的選擇）。

●   具有控制級整合的選項3當前正發(fā)展到選項4。

●   選項4具有最佳的成本優(yōu)勢，因為電源電路中的電源開關和磁性元件較少，但是它的控制算法也最為復雜。

圖2：OBC和DC/DC多合一動力總成系統(tǒng)的四個最常見選項

表1概述了當今市場上的多合一動力總成系統(tǒng)。

表1：三個成功實現(xiàn)的多合一動力總成系統(tǒng)

動力系統(tǒng)組合框圖

圖3描繪了一個動力系統(tǒng)框圖。該框圖實現(xiàn)了具有電源開關共享和磁性整合功能的多合一動力總成系統(tǒng)。

如圖3所示，OBC和高電壓DC/DC轉換器都連接到高電壓電池，因此車載充電器和高電壓DC/DC的全橋額定電壓相同，使得車載充電器和高電壓DC/DC的全橋共享電源開關成為可能。

此外，將圖3所示將兩個變壓器整合在一起即可實現(xiàn)磁性整合。由于它們在高電壓側具有相同的額定電壓，因此最終可能成為三端變壓器。

圖3：多合一動力總成系統(tǒng)中的電源開關和電磁共享

提升性能

圖4所示為如何內置降壓轉換器以幫助改善低電壓輸出的性能。

當此組合拓撲在高電壓電池充電條件下工作時，高電壓輸出將得到精確控制。但是，由于變壓器的兩個端子耦合在一起，因此低電壓輸出的性能將受限。一種改善低電壓輸出性能的簡易方法是添加一個內置降壓轉換器，但該方法需要權衡額外成本。

圖4：改善低電壓輸出的性能

共享組件

如同OBC和高電壓DC/DC整合一樣，車載充電器和三個半橋中的功率因數校正級的額定電壓非常接近。如圖5所示，即能實現(xiàn)與兩個終端器件組件共享的三個半橋共享電源開關，可以降低成本并提高功率密度。

由于電機中通常有三個繞組，因此也可通過在OBC中共享繞組作為功率因數校正電感器來實現(xiàn)磁性整合，這也有助于降低設計成本并提高功率密度。

圖5：在組合框設計中共享組件

結論

從低級機械整合到高級電子整合，一直在不斷發(fā)展。系統(tǒng)復雜度將隨著整合級別的提高而增加。但是每個多合一動力總成系統(tǒng)變型都會有不同的設計挑戰(zhàn)，包括：

●   需要仔細設計磁性整合以達到最佳性能。

●   對于整合系統(tǒng)，控制算法將更加復雜。

●   設計高效的冷卻系統(tǒng)，以散發(fā)較小系統(tǒng)中的所有熱量。

●   靈活性是多合一動力總成系統(tǒng)的關鍵。多樣化的選項為用戶提供了在任意級別上探索設計的機會。

其他資源

●   效率為98.6%、6.6kW圖騰柱PFC HEV/EV車載充電器參考設計。

●   雙向CLLLC諧振、雙有源電橋（DAB）HEV/EV車載充電器參考設計。