什么是集成動力總成？ 集成動力總成的優(yōu)勢

動力總成，英文名稱Powertrain，或者Powerplant，指的是車輛上產(chǎn)生動力，并將動力傳遞到路面的一系列零部件組件。廣義上包括發(fā)動機，變速箱，驅(qū)動軸，差速器，離合器等等，但通常情況下，動力總成，一般僅指發(fā)動機，變速器，以及集成到變速器上面的其余零件，如離合器/前差速器等。

?集成動力總成?是指將車輛中的多個動力系統(tǒng)組件集成到一個統(tǒng)一的系統(tǒng)中，以實現(xiàn)更高的功率密度、可靠性和成本效益。集成動力總成通常包括車載充電器(OBC)、高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器(HV DCDC)、逆變器和配電單元(PDU)等終端設備。這些組件通過共享電源開關和磁性元件，減少電源電路中的元件數(shù)量，從而降低成本，但需要更復雜的控制算法來實現(xiàn)高效管理?1。

集成動力總成的優(yōu)勢

?提高功率密度?：通過集成多個組件，可以在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的功率輸出。

?提高可靠性?：減少組件數(shù)量和連接點，降低了故障風險。

?優(yōu)化成本?：通過共享組件和簡化設計，降低了制造成本。

?簡化設計和組裝?：集成設計使得組裝過程更加標準化和模塊化，提高了生產(chǎn)效率?1。

集成動力總成的市場應用現(xiàn)狀和技術趨勢

在電動汽車和混合動力汽車中，集成動力總成已經(jīng)成為一種重要的技術趨勢。市場上有多種實現(xiàn)集成動力總成的方法，包括形成獨立的系統(tǒng)、共享機械外殼和冷卻系統(tǒng)、控制級集成等。最新的趨勢是向超集成的智能e驅(qū)動系統(tǒng)(如11合1系統(tǒng))進化，這進一步精簡了控制架構，提升了系統(tǒng)效能?12。

用更少的器件實現(xiàn)更多的汽車應用，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)設計背后的理念。

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)等終端設備結合到一起。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。

· 簡化設計和組裝，并支持標準化和模塊化。

市場應用現(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和磁性元件，所以成本優(yōu)勢更大，但它的控制算法也更復雜。

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：

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：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

· 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

·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)了電源開關共享和磁集成的架構。

圖3：集成架構中的電源開關和磁性組件共享

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備組件共享的三個半橋來實現(xiàn)電源開關共享，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。這也有助于降低設計成本和提高功率密度。

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)的復雜性也將增加。但是，每種架構變體都會帶來不同的設計挑戰(zhàn)，包括：

· 為進一步優(yōu)化性能，必須精心設計磁集成。

· 采用集成系統(tǒng)時，控制算法會更加復雜。

· 設計高效的冷卻系統(tǒng)，以適應更小型系統(tǒng)的散熱需求。

靈活性是動力總成集成的關鍵。眾多方法任您選擇，您可以任意地探索各種級別的集成設計。

動力總成是汽車中負責產(chǎn)生并傳遞動力至路面的關鍵組件集合。從廣泛意義上來講，動力總成涵蓋了諸如發(fā)動機、變速箱、驅(qū)動軸、差速器以及離合器等多個部分。其中，發(fā)動機作為將其他形式能量轉(zhuǎn)化為機械能的核心，包含了曲柄連桿機構、正時系統(tǒng)、配氣機構、潤滑系統(tǒng)等復雜部件，并輔以進氣、排氣、冷卻及供油系統(tǒng)，同時還包括發(fā)動機懸置、線束控制單元以及增壓機械等輔助設備。

變速箱則分為手動和自動兩大類，其主要功能在于調(diào)節(jié)傳動比以適應不同的行駛條件，同時利用空擋來實現(xiàn)動力的中斷，從而協(xié)助發(fā)動機的啟動、變速以及動力輸出。變速箱的構成包括變速器本體、換擋控制機構，對于自動變速器而言，還包含了液壓系統(tǒng)或控制驅(qū)動電機以及變速器控制單元。

驅(qū)動軸在裝載機的推進過程中起著至關重要的作用，它能夠確保驅(qū)動輪以不同的角速度進行轉(zhuǎn)動，同時承受著多種交變應力的考驗，并會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲振動，其軸頸與軸承之間還存在著滑動摩擦。

在四輪驅(qū)動的車輛中，差速器則扮演著分配動力給前后驅(qū)動輪的重要角色。

一般而言，動力總成常常特指發(fā)動機、變速器以及與之集成的其他零部件，如離合器和前差速器等。發(fā)動機被喻為汽車的“心臟”，而變速箱則是動力傳輸與變換的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”。動力總成的性能直接決定了汽車的動力表現(xiàn)、經(jīng)濟效益以及環(huán)保標準。由于其結構錯綜復雜、零部件數(shù)量眾多、對機械精度要求極高且成本不菲，因此動力總成技術一直是汽車制造業(yè)的核心競爭力所在，同時也是市場和消費者密切關注的焦點之一。