德州儀器多合一動力總成系統解決方案，助力新能源汽車快速實現輕量、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）等動力系統終端器件。如圖1所示，可在機械、控制或動力系統級別應用整合。

圖1：電動汽車標準架構概述

為什么多合一動力總成系統最適合HEV/EV？

多合一動力總成系統能夠實現：

●   提高功率密度。

●   增加可靠性。

●   優化成本。

●   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應用

有多種不同的方法來實現多合一動力總成系統，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、控制電路和機械時實現高功率密度。選項包括：

●   帶有獨立系統的選項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。

●   共享外殼和冷卻系統（最常見的選擇）。

●   具有控制級整合的選項3當前正發展到選項4。

●   選項4具有最佳的成本優勢，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。

表1：三個成功實現的多合一動力總成系統

動力系統組合框圖

圖3描繪了一個動力系統框圖。該框圖實現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。

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，一直在不斷發展。系統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變型都會有不同的設計挑戰，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，控制算法將更加復雜。

●   設計高效的冷卻系統，以散發較小系統中的所有熱量。

●   靈活性是多合一動力總成系統的關鍵。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。