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TI整合動力傳動系統解決方案,打造電動車模組化架構

本文作者:Jason Cao       點擊: 2020-09-22 16:51
前言:
 當汽車應用能夠以更少的零件完成更多的工作時,就能夠實現電動車在減少重量和成本的同時提高可靠性。這樣的理念就是在電動車(EV)和混合電動車(HEV)中整合其設計和整合動力傳動系統。欲瞭解更多資訊,請參考TI整合動力傳動系統解決方案。

模組化架構是什麼?
模組化架構整合了諸多動力傳動系統終端設備,例如車載充電器(OBC)、高電壓 DC/ DC(HV DC/ DC)、逆變器和配電單元(PDU)等。如圖1所示,可在機械、控制或動力傳動系統級別應用整合。 
圖1:電動車標準架構概述

為什麼模組化架構最適合EV/ HEV?
整合動力傳動系統解決方案協助您實現:
功率密度提升。
重量減輕進而增加可靠性。
成本優化。
設計和組裝簡化(因其具有標準化和模組化能力)。

現今市場上的模組化應用
目前市場上有許多方法來實現模組化應用,在以下圖示中(以車載充電器和高電壓 DC/ DC模組為例),德州儀器分享四種最常見的方法,讓您在組合動力傳動系統、控制電路和機械的同時,達到最大化功率密度。

四種方法為:
選項 1 : 帶有獨立系統的獨立組件,不過現在較少人使用。
選項 2 : 可細分為兩個種選擇,一是共用 DC/ DC 和車載充電裝置的機械外殼,但拆分獨立的冷卻系統;另外是共用外殼和冷卻系統,此為最常見的選擇。
選項 3 : 控制級整合,目前正逐步發展成為選項 4。
選項 4 : 具備最佳成本優勢的功率級整合,因為其電源電路中的電源開關和磁性元件較少,但是它的控制演算法也最為複雜。
 
圖2:OBC和DC/ DC模組化架構的四個常見選項

在以下表格中,我們提列出目前市場上有的模組化架構。

OBC、高電壓DC/DCPDU三合一高電壓整合,可優化電磁干擾(EMI

(選項3

整合了車載充電器和高電壓DC/ DC 轉換器的整合動力傳動系統

(選項 4

43 kW 充電器設計,整合了車載充電器、牽引逆變器和牽引馬達

(選項4

·         6.6 kW 車載充電器

·         2.2 kW 直流/直流

·         配電單元

·         6.6 kW 車載充電器

·         1.4 kW 直流/直流

·         磁性整合

·         共用功率開關

·         共用控制單元

·         車載充電器高達 43KW

·         共用三相橋功率開關

·         馬達繞組複用為OBC PFC電感

*其他廠商報告顯示,此類設計可減少約 40% 的重量和體積,同時提升 40% 的功率密度。

(一個微控制器控制功率因數校正級、一個微控制器控制 DC/ DC 級和一個高電壓 DC/ DC

(一個微控制器控制牽引馬達驅動和車載充電器 OBC (PFC + LLC) )

表1:三個成功實現的整合動力傳動系統

動力傳動系統模組原理圖
在以下圖示中,我們展示一個動力傳動系統模組原理圖,其能夠實現具備功率開關和磁性整合的模組化架構。
 
圖3:動力傳動系統模組中的電源開關和電磁共用

如上圖所示,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 的全橋式額定電壓相同,讓車載充電器和高電壓 DC/ DC 的全橋可與功率開關相互共用。

此外,如圖所示將兩個變壓器整合在一起即可實現磁性整合。由於它們在高電壓側具有相同的額定電壓,因此最終可能成為三相變壓器。

提升性能
在以下圖示中,我們展示如何內建降壓轉換器來改善低電壓輸出的性能。
 
圖4:改善低電壓輸出的性能

當此組合拓撲在高電壓電池充電條件下作用時,高電壓輸出將得到精確的控制。但是,由於變壓器的兩個終端合在一起,造成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建降壓轉換器,但該方法需要權衡額外成本。

共用組件
如同 OBC 和高電壓 DC/ DC 整合一樣,車載充電器的 PFC 三相橋式整合器和牽引馬達驅動器的額定電壓非常接近。如圖 5 所示,即能實現車載充電器和牽引馬達驅動器的三相橋式共用功率開關,可以降低成本並提高功率密度。

 圖5:在模組設計中共用組件

由於馬達中通常有三個繞組,因此也可透過在 OBC 中共用繞組作為功率因數校正電感器來實現磁性整合,這也有助於降低設計成本並提高功率密度。

結論
從低階機械整合到高階電子整合,一直在不斷發展。系統複雜度將隨著整合級別的提高而增加。但是每個動力傳動系統模組變型都會有不同的設計挑戰,包括:
需要仔細設計磁性整合以達到最佳性能。
對於整合系統,控制演算法將更加複雜。
在更小的系統中設計高效的冷卻系統來散熱。

靈活性是整合動力傳動系統的關鍵。多樣化的選項為使用者提供了在任意級別上探索此設計的機會。

其他資源
效率為98.6%、6.6kW圖騰柱PFC HEV/EV車載充電器參考設計
用於HEV / EV車載充電器的雙向CLLLC諧振雙主動橋式(DAB)參考設計

關於德州儀器(TI)
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