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電驅(qū)系統(tǒng)功率級(jí)“多合一”解決方案

2021-10-09 10:47:23·  來源：燃云汽車  
　
如何提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)品性能、減小能耗和進(jìn)一步輕量化，以加強(qiáng)整車市場競爭力，是擺在國內(nèi)外新能源車企面前的共同課題。為此，具有多年動(dòng)力總成電子系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)
如何提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)品性能、減小能耗和進(jìn)一步輕量化，以加強(qiáng)整車市場競爭力，是擺在國內(nèi)外新能源車企面前的共同課題。為此，具有多年動(dòng)力總成電子系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的美國著名半導(dǎo)體及電子解決方案專家——德州儀器（Texas Instrument）提出了多種功率級(jí)別“多合一”整合方案和設(shè)計(jì)思路，助力新能源車企提升技術(shù)優(yōu)勢。



傳統(tǒng)意義上的機(jī)械層面“多合一”——將電機(jī)+電控+齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等集于一體早已不是什么新聞了，Mode 3甚至早已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
然而，在功率電子層面的“多合一”——將OBC車載充電器+高電壓DC/DC轉(zhuǎn)換器+逆變器+PDU配電單元進(jìn)行深度整合，比如共享功率開關(guān)器件和磁性元件，并最終實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降本增效，成為當(dāng)下熱門的研究方向。
第三方數(shù)據(jù)報(bào)告表明：此類設(shè)計(jì)可減少約40%的重量和體積并提升40%的功率密度。下圖以高電壓DC/DC和OBC車載充電器為例，描述了兩大部件的4種最常見的整合選項(xiàng)及思路。以便在組合動(dòng)力系統(tǒng)、控制電路和機(jī)械時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率密度。


  • 選項(xiàng)1：OBC在線充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器獨(dú)立外殼，獨(dú)立冷卻。該方案已被逐漸淘汰。
  • 選項(xiàng)2：二者共享外殼和冷卻系統(tǒng)，獨(dú)立控制。該方案比較常見。
  • 選項(xiàng)3：不僅共享外殼和冷卻系統(tǒng)，還共享控制電路。該方案為市面上的主流方案。
  • 選項(xiàng)4：在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)一步共享功率開關(guān)器件，磁性元件等。該方案是功率級(jí)“多合一”系統(tǒng)的發(fā)展方向。
下面將以選項(xiàng)4為導(dǎo)向，從電子器件的層面，以兩個(gè)實(shí)際案例，分析以下如何實(shí)現(xiàn)共享功率開關(guān)器件和以及磁性元件。
案例一：OBC 與DC/DC整合

該實(shí)際案例為6.6 kW車載充電器+1.4 kW直流/直流+配電單元整合，涉及的器件主要有一個(gè)微控制器MCU控制的功率因素校正級(jí)，一個(gè)MCU控制的DC/DC級(jí)和一個(gè)高電壓DC/DC
OBC車載充電器主要由AC電網(wǎng)接口，PFC功率因素校正級(jí)，DC/DC原邊，變壓器，DC/DC副邊及與高壓電池接口組成。高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器一般由高壓電池接口，DC/DC原邊，變壓器，DC/DC副邊，以及低壓電池接口組成。



組合方案之共享功率開關(guān)器件：由于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，從而可以實(shí)現(xiàn)車載充電器和高壓DC/DC的全橋功率開關(guān)器件共享。
組合方案之共享變壓器：由于OBC和DC/DC在高電壓側(cè)具有相同的額定電壓，因此可將兩個(gè)變壓器整合在一起變成三端變壓器，最終實(shí)現(xiàn)磁性整合。如上圖所示。



當(dāng)此組合結(jié)構(gòu)在高壓電池充電條件下工作時(shí)，高電壓輸出將得到精確控制。但由于變壓器的兩個(gè)端子耦合在一起，因此低電壓輸出的性能將受限。因此，可添加一個(gè)內(nèi)置BUCK降壓轉(zhuǎn)換器改善低電壓輸出性能，請見上圖。但該方法需要權(quán)衡額外成本。
案例二：電機(jī)+逆變器+OBC+DC/DC

該實(shí)際案例整合了43kW車載充電器+牽引電機(jī)+牽引逆變器，其特點(diǎn)是共享三相橋功率開關(guān)器件以及電機(jī)繞組復(fù)用為OBC PFC電感。涉及的器件主要有一個(gè)微控制器MCU控制牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)和車載充電器OBC（PFC+LLC）。



組合方案之共享功率開關(guān)器件：如同OBC和高電壓DC/DC整合一樣，OBC車載充電器的PFC三相橋和牽引電機(jī)的三相橋中的額定電壓非常接近。即能實(shí)現(xiàn)車載充電器和牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)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。
組合方案之共享電機(jī)繞組：另外，由于電機(jī)中通常有三個(gè)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，原理是：電機(jī)繞組在進(jìn)入OBC模式時(shí)，三相繞組互相不連接，僅做電感使用。進(jìn)入電機(jī)模式，電機(jī)的中心點(diǎn)連在一起。


如此一來，助于降低設(shè)計(jì)成本并提高功率密度。但電機(jī)需要重新設(shè)計(jì)，且實(shí)際使用時(shí)，需要額外的控制電路來切換繞組的連接狀態(tài)。

結(jié)語

從上文的案例來看，電驅(qū)系統(tǒng)從低級(jí)機(jī)械整合向高級(jí)的電子整合所帶來的好處已經(jīng)不言而喻。各個(gè)新能源企業(yè)將籍此提升動(dòng)力總成功率密度和輕量化水平，并使整個(gè)系統(tǒng)更加完善和成熟。

然而，由于整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度將隨著整合級(jí)別的提高而增加，且每種多合一動(dòng)力總成系統(tǒng)變型都會(huì)有不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造商還需要與專業(yè)的電子解決方案服務(wù)商諸如德州儀器等公司一起攻克以下課題：
  • 仔細(xì)設(shè)計(jì)磁性整合以達(dá)到最佳性能
  • 研發(fā)針對于整合后系統(tǒng)的更加復(fù)雜的控制算法
  • 開發(fā)高效的冷卻系統(tǒng)，以散發(fā)較小系統(tǒng)中的所有熱量
     
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