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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
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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 13:55:07 来源:德州仪器

【哔哥哔特导读】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。

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。

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。

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。

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。

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