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德州儀器多合一動力總成系統(tǒng)解決方案

電子設(shè)計 ? 來源:電子設(shè)計 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2022-01-19 14:09 ? 次閱讀
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當(dāng)汽車應(yīng)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(shè)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(gòu)?

多合一動力總成組合架構(gòu)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(jī)械、控制或動力系統(tǒng)級別應(yīng)用整合。

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?qū)崿F(xiàn):

提高功率密度。

增加可靠性。

優(yōu)化成本。

具有標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化能力,設(shè)計和組裝更簡易。

當(dāng)前市場上的多合一動力總成系統(tǒng)應(yīng)用

有多種不同的方法來實(shí)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(jī)械時實(shí)現(xiàn)高功率密度。選項包括:

帶有獨(dú)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(zhuǎn)換器和車載充電器的機(jī)械外殼,但拆分獨(dú)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(dāng)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(guān)和磁性元件較少,但是它的控制算法也最為復(fù)雜。

表1概述了當(dāng)今市場上的多合一動力總成系統(tǒng)。

OBC、高電壓DC/DC、PDU三合一高電壓整合,可優(yōu)化電磁干擾(EMI)(選項3) 整合了車載充電器和高電壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的多合一動力總成系統(tǒng)(選項4) 43 kW充電器設(shè)計,整合了車載充電器、牽引逆變器和牽引電機(jī)(選項4)
6.6 kW車載充電器
2.2 kW直流/直流
配電單元
*第三方數(shù)據(jù)報告表明:此類設(shè)計可減少約40%的重量和體積并提升40%的功率密度
6.6 kW車載充電器
1.4 kW直流/直流
磁性整合
共享功率開關(guān)器件
共享控制單元
(一個微控制器[MCU]控制功率因數(shù)校正級、一個MCU控制DC/DC級和一個高電壓DC/DC)
車載充電器高達(dá)43KW
共享三相橋功率開關(guān)器件
電機(jī)繞組復(fù)用為OBC PFC電感
(一個MCU控制牽引電機(jī)驅(qū)動和車載充電機(jī)OBC(PFC + LLC) )

表1:三個成功實(shí)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(shí)現(xiàn)了具有功率開關(guān)器件共享和磁性整合功能的多合一動力總成系統(tǒng)。

poYBAGGKTUeAGq1CAAHMcL8Np14316.png

圖3:多合一動力總成系統(tǒng)中的電源開關(guān)和電磁共享

如圖3所示,OBC和高電壓DC/DC轉(zhuǎn)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的全橋共享功率開關(guān)器件成為可能。

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

提升性能

圖4所示為如何內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器以幫助改善低電壓輸出的性能。

pYYBAGGKTUmAFtesAAIDd0qh4Ek576.png

圖4:改善低電壓輸出的性能

當(dāng)此組合拓?fù)湓诟唠妷弘姵爻潆姉l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(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器,但該方法需要權(quán)衡額外成本。

共享組件

如同OBC和高電壓DC/DC整合一樣,車載充電器的PFC三相橋和牽引電機(jī)驅(qū)動器的三相橋中的額定電壓非常接近。如圖5所示,即能實(shí)現(xiàn)車載充電器和牽引電機(jī)驅(qū)動器的三相橋共享功率開關(guān)器件,可以降低成本并提高功率密度。

由于電機(jī)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(shù)校正電感器來實(shí)現(xiàn)磁性整合,這也有助于降低設(shè)計成本并提高功率密度。

結(jié)論

從低級機(jī)械整合到高級電子整合,一直在不斷發(fā)展。系統(tǒng)復(fù)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(shè)計挑戰(zhàn),包括:

需要仔細(xì)設(shè)計磁性整合以達(dá)到最佳性能。

對于整合系統(tǒng),控制算法將更加復(fù)雜。

設(shè)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(guān)鍵。多樣化的選項為用戶提供了在任意級別上探索設(shè)計的機(jī)會。

審核編輯:金巧

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