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    電驅系統功率級“多合一”解決方案

     李維ijxzwoymtt 2021-11-19
    來源:德州儀器
    如何提升電驅動系統的產品性能、減小能耗和進一步輕量化,以加強整車市場競爭力,是擺在國內外新能源車企面前的共同課題。為此,具有多年動力總成電子系統開發經驗的美國著名半導體及電子解決方案專家——德州儀器(Texas Instrument)提出了多種功率級別“多合一”整合方案和設計思路,助力新能源車企提升技術優勢。

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    傳統意義上的機械層面“多合一”——將電機 電控 齒輪傳動系統等集于一體早已不是什么新聞了,Mode 3甚至早已實現大批量生產。

    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轉換器 逆變器 PDU配電單元進行深度整合,比如共享功率開關器件和磁性元件,并最終實現進一步降本增效,成為當下熱門的研究方向。

    第三方數據報告表明:此類設計可減少約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及思路。以便在組合動力系統、控制電路和機械時實現高功率密度。

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    • 選項1:OBC在線充電器和DC/DC轉換器獨立外殼,獨立冷卻。該方案已被逐漸淘汰。
    • 選項2:二者共享外殼和冷卻系統,獨立控制。該方案比較常見。
    • 選項3:不僅共享外殼和冷卻系統,還共享控制電路。該方案為市面上的主流方案。
    • 選項4:在上述基礎上,進一步共享功率開關器件,磁性元件等。該方案是功率級“多合一”系統的發展方向。

    下面將以選項4為導向,從電子器件的層面,以兩個實際案例,分析以下如何實現共享功率開關器件和以及磁性元件。

    案例一:OBC 與DC/DC整合


    該實際案例為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微控制器MCU控制的功率因素校正級,一個MCU控制的DC/DC級和一個高電壓DC/DC

    OBC車載充電器主要由AC電網接口,PFC功率因素校正級,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。

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    組合方案之共享功率開關器件:由于OBC和高電壓DC/DC轉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,從而可以實現車載充電器和高壓DC/DC的全橋功率開關器件共享。

    組合方案之共享變壓器:由于OBC和DC/DC在高電壓側具有相同的額定電壓,因此可將兩個變壓器整合在一起變成三端變壓器,最終實現磁性整合。如上圖所示。

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    當此組合結構在高壓電池充電條件下工作時,高電壓輸出將得到精確控制。但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。因此,可添加一個內置BUCK降壓轉換器改善低電壓輸出性能,請見上圖。但該方法需要權衡額外成本。
     

    案例二:電機 逆變器 OBC DC/DC


    該實際案例整合了43kW車載充電器 牽引電機 牽引逆變器,其特點是共享三相橋功率開關器件以及電機繞組復用為OBC PFC電感。涉及的器件主要有一個微控制器MCU控制牽引電機驅動和車載充電器OBC(PFC LLC)。
     

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    組合方案之共享功率開關器件:如同OBC和高電壓DC/DC整合一樣,OBC車載充電器的PFC三相橋和牽引電機的三相橋中的額定電壓非常接近。即能實現車載充電器和牽引電機驅動器的三相橋共享功率開關器件,可以降低成本并提高功率密度。

    組合方案之共享電機繞組:另外,由于電機中通常有三個繞組,因此也可通過在OBC中共享繞組作為功率因數校正電感器來實現磁性整合,原理是:電機繞組在進入OBC模式時,三相繞組互相不連接,僅做電感使用。進入電機模式,電機的中心點連在一起。
     

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    如此一來,助于降低設計成本并提高功率密度。但電機需要重新設計,且實際使用時,需要額外的控制電路來切換繞組的連接狀態。

    結語

    從上文的案例來看,電驅系統從低級機械整合向高級的電子整合所帶來的好處已經不言而喻。各個新能源企業將籍此提升動力總成功率密度和輕量化水平,并使整個系統更加完善和成熟。


    然而,由于整個系統的復雜度將隨著整合級別的提高而增加,且每種多合一動力總成系統變型都會有不同的設計挑戰,電驅動系統制造商還需要與專業的電子解決方案服務商諸如德州儀器等公司一起攻克以下課題:
    • 仔細設計磁性整合以達到最佳性能
    • 研發針對于整合后系統的更加復雜的控制算法
    • 開發高效的冷卻系統,以散發較小系統中的所有熱量

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