用更少的器件實現(xiàn)更多的汽車應(yīng)用，既能減輕車重、降低成本，又能提高可靠性。這是集成電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)設(shè)計背后的理念。
總成集成有利于混合動力汽車/電動汽車?，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
?提高功率密度?：通過集成動力總成系統(tǒng)，可以減少器件數(shù)量，提高系統(tǒng)的功率密度，從而提升電動汽車的整體性能?12。
?優(yōu)化成本?：集成化設(shè)計可以減少器件數(shù)量和組裝步驟，降低制造成本，提高經(jīng)濟效益?12。
?提高可靠性?：集成化設(shè)計減少了組件間的接口和連接，降低了故障率，提高了系統(tǒng)的整體可靠性?12。
?簡化設(shè)計和組裝?：集成化設(shè)計支持標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，簡化了設(shè)計和組裝過程，提高了生產(chǎn)效率?12。
?輕量化?：集成化設(shè)計減少了系統(tǒng)的重量，有助于實現(xiàn)汽車的輕量化，從而提高燃油經(jīng)濟性和行駛里程?34。
具體應(yīng)用案例和未來發(fā)展趨勢
?比亞迪的三合一動力總成?：比亞迪的電機、電控、變速器三合一驅(qū)動總成系統(tǒng)通過集成化設(shè)計，實現(xiàn)了體積小、重量輕、功率密度高的優(yōu)勢，顯著提升了電驅(qū)總成的效率和成本效益?4。
?寬帶隙半導(dǎo)體器件?：碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等新材料的應(yīng)用，進一步提高了電動汽車的效率和功率密度，推動了動力總成集成技術(shù)的發(fā)展?5。
什么是集成動力總成?
集成動力總成旨在將車載充電器(OBC)、高壓直流/直流(HV DCDC)轉(zhuǎn)換器、逆變器和配電單元(PDU)等終端設(shè)備結(jié)合到一起。機械、控制或動力總成級別均可進行集成，如圖1所示。
圖1：電動汽車典型架構(gòu)概述
為什么動力總成集成有利于混合動力汽車/電動汽車?
集成動力總成終端設(shè)備組件能夠?qū)崿F(xiàn)以下優(yōu)勢：
· 提高功率密度。
· 提高可靠性。
· 優(yōu)化成本。
· 簡化設(shè)計和組裝，并支持標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。
市場應(yīng)用現(xiàn)狀
實現(xiàn)集成動力總成的方法有很多。圖2以車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器集成為例，簡要介紹了用于在結(jié)合動力總成、控制電路和機械組件時實現(xiàn)高功率密度的四種常見方法。它們分別是：
· 方法1：形成獨立的系統(tǒng)。這種方法已不如幾年前流行。
· 方法2：可分為兩個步驟：
· 直流/直流轉(zhuǎn)換器和車載充電器共享機械外殼，但擁有各自獨立的冷卻系統(tǒng)。
· 同時共享外殼和冷卻系統(tǒng)(最常選用的方法)。
· 方法3：進行控制級集成。這種方法正在演變?yōu)榈?種方法。
· 方法4：相比于其他三種方法，此方法由于減少了電源電路中的電源開關(guān)和磁性元件，所以成本優(yōu)勢更大，但它的控制算法也更復(fù)雜。
圖2：車載充電器和直流/直流轉(zhuǎn)換器集成的四種常見方法
表1概括了目前市場上的集成架構(gòu)：
可降低電磁干擾(EMI)的高壓三合一集成：車載充電器、高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器和配電單元的集成(方法3)集成架構(gòu)：車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的集成(方法4)43kW充電器設(shè)計：車載充電器、牽引逆變器和牽引電機的集成(方法4)
· 6.6kW車載充電器
· 2.2kW直流/直流轉(zhuǎn)換器
· 配電單元
*第三方數(shù)據(jù)報告顯示，這類設(shè)計能夠使體積和重量減少大概40%，并且使功率密度提高大概40%· 6.6kW車載充電器
· 1.4kW直流/直流轉(zhuǎn)換器
· 磁集成
· 共享電源開關(guān)
· 共享控制單元
(一個微控制器[MCU]控制的功率因數(shù)校正級，一個微控制器控制的直流/直流級，以及一個高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器)·交流充電功率高達43kW
·共享電源開關(guān)
·共享電機繞組
表1：集成動力總成的三種成功實現(xiàn)
動力總成集成方框圖
圖3為一個動力總成的方框圖，該動力總成實現(xiàn)了電源開關(guān)共享和磁集成的架構(gòu)。
圖3：集成架構(gòu)中的電源開關(guān)和磁性組件共享
如圖3所示，車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器都連接至高壓電池，因此車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的全橋額定電壓相同。這樣，便可以通過全橋使得車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電源開關(guān)共享。
此外，將圖3所示的兩個變壓器集成在一起還可以實現(xiàn)磁集成。這是因為它們在高壓側(cè)的額定電壓相同，能夠最終形成三端變壓器。
性能提升
圖4展示了如何通過內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器來幫助提升低壓輸出的性能。
圖4：提升低壓輸出的性能
當(dāng)這個集成拓撲在高壓電池充電條件下工作時，高壓輸出可得到精確控制。但是，由于變壓器的兩個端子耦合在一起，所以低壓輸出的性能會受到限制。有一個簡單的方法可以提升低壓輸出性能，那就是添加一個內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器。但這樣做的代價就是會導(dǎo)致成本增加。
共享組件
像車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器集成一樣，車載充電器中的功率因數(shù)校正級和三個半橋的額定電壓非常接近。這樣，便可以通過由兩個終端設(shè)備組件共享的三個半橋來實現(xiàn)電源開關(guān)共享，如圖5所示。這可以降低成本并提高功率密度。
圖5：動力總成集成設(shè)計中的組件共享
由于一個電機一般有三個繞組，因此也可以將這些繞組用作車載充電器中的功率因數(shù)校正電感器，借此實現(xiàn)磁集成。這也有助于降低設(shè)計成本和提高功率密度。
結(jié)束語
從低級別的機械集成到高級別的電子集成，集成的發(fā)展仍在繼續(xù)。隨著集成級別的提高，系統(tǒng)的復(fù)雜性也將增加。但是，每種架構(gòu)變體都會帶來不同的設(shè)計挑戰(zhàn)，包括：
· 為進一步優(yōu)化性能，必須精心設(shè)計磁集成。
· 采用集成系統(tǒng)時，控制算法會更加復(fù)雜。
· 設(shè)計高效的冷卻系統(tǒng)，以適應(yīng)更小型系統(tǒng)的散熱需求。
靈活性是動力總成集成的關(guān)鍵。眾多方法任您選擇，您可以任意地探索各種級別的集成設(shè)計。
隨著越來越多的混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 首次亮相，汽車制造商正在提高車輛動力系統(tǒng)的電氣化程度。受全球限制二氧化碳排放法規(guī)的推動，銷量每年以 20% 至 25% 的速度增長 [1]，預(yù)計到 2030 年將占汽車總銷量的 20% 至 25%[2]。此外，隨著消費者對混合動力汽車的接受程度的提高，也帶來了對性能更好、行駛里程更長的節(jié)能、堅固和緊湊型系統(tǒng)的更大需求。
該領(lǐng)域的主要顧慮之一是如何使混合動力汽車/電動汽車更實惠，促進大眾市場的采用并解決汽車制造商當(dāng)前盈利能力不足的問題。如今，小到中型電動汽車的平均價格比同等級別的內(nèi)燃機汽車高出約 12,000 美元 [3]。
起初，人們認為電池成本是造成價格差異的唯一原因。的確，電池成本在未來可能會大幅下降。然而，詳細的商業(yè)模式最近表明，其他選項也可以降低成本 [3] 并縮短原始設(shè)備制造商(OEM) 使混合動力汽車/電動汽車銷售實現(xiàn)盈利的時間。一種選擇是按成本設(shè)計 (DTC)，它專注于動力總成集成，即電力電子組件放置得更緊密，減少組件數(shù)量，并將它們集成到更少的盒子中。
在本白皮書中，我會介紹將 DTC 應(yīng)用于電力電子產(chǎn)品如何使OEM 能夠?qū)崿F(xiàn)大眾市場的采用。首先，我將解釋為什么電力電子技術(shù)的進步能夠在努力降低動力總成系統(tǒng)的 DTC 的同時減輕消費者的“里程焦慮”，然后介紹旨在采用 DTC 的系統(tǒng)級集成式動力總成解決方案，并特別著重介紹優(yōu)化半導(dǎo)體 (IC) 和功率器件的內(nèi)容。
解決里程焦慮
在購買混合動力汽車和電動汽車時，里程焦慮一直是消費者最關(guān)心的問題。2020 年，市場上預(yù)計將發(fā)布幾款里程超過 200英里 [4] 的電動汽車。即使在不同的 OEM 廠商中，這些電動汽車的共同之處在于，它們都采用了全新的動力總成平臺設(shè)計，優(yōu)化了電池堆疊和封裝以實現(xiàn)高續(xù)航里程。更高的電池組堆疊轉(zhuǎn)化為更高的電壓和更大的馬力。
現(xiàn)代電動汽車的電池電壓通常約為 400V，但要獲得更大的馬力，則需要將電池電壓提高至 800V，尤其是在高端電動汽車中。更高的電壓可將相同的電流轉(zhuǎn)換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實現(xiàn)緊湊的空間和更低的 DTC。
此外，在同樣的功率下，更高的電壓可提高效率，因為不用使用大電流，從而可降低熱耗散。更小的電纜直徑和更低的重量反過來又降低了 DTC。
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