如果可以用更少的器件實(shí)現(xiàn)更多的汽車應(yīng)用，既能減輕車重、降低成本，又能提高可靠性。這就是集成電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）設(shè)計(jì)背后的理念。
什么是集成動(dòng)力總成？
集成動(dòng)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(shè)備結(jié)合到一起。機(jī)械、控制或動(dòng)力總成級(jí)別均可進(jìn)行集成，如圖1所示。
圖1：電動(dòng)汽車典型架構(gòu)概述
為什么動(dòng)力總成集成有利于混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車？
集成動(dòng)力總成終端設(shè)備組件能夠?qū)崿F(xiàn)以下優(yōu)勢(shì)：
提高功率密度。
提高可靠性。
優(yōu)化成本。
簡化設(shè)計(jì)和組裝，并支持標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。
高性能集成動(dòng)力總成解決方案：電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵
閱讀白皮書
市場應(yīng)用現(xiàn)狀
實(shí)現(xiàn)集成動(dòng)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(jié)合動(dòng)力總成、控制電路和機(jī)械組件時(shí)實(shí)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(dú)立的系統(tǒng)。這種方法已不如幾年前流行。
方法2：可以分為兩個(gè)步驟：
直流/直流轉(zhuǎn)換器和車載充電器共享機(jī)械外殼，但擁有各自獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。
同時(shí)共享外殼和冷卻系統(tǒng)（最常選用的方法）。
方法3：進(jìn)行控制級(jí)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(guān)和磁性元件，所以成本優(yōu)勢(shì)更大，但它的控制算法也更復(fù)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(gòu)。
表1：動(dòng)力總成集成的三種成功實(shí)現(xiàn)
借助C2000實(shí)時(shí)微控制器（例如新發(fā)布的TMS320F280039C-Q1MCU），EV和HEV動(dòng)力總成設(shè)計(jì)人員可針對(duì)車載充電器-功率因數(shù)校正、車載充電器-直流/直流轉(zhuǎn)換器和高壓轉(zhuǎn)低壓直流/直流應(yīng)用采用分立和集成架構(gòu)。此外，TMS320F280039C-Q1可通過單個(gè)MCU實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)功率級(jí)的實(shí)時(shí)控制管理，從而縮小動(dòng)力總成的尺寸并降低成本。多個(gè)參考設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了如何使用單個(gè)MCU實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)力總成子系統(tǒng)的集成。
表2展示了可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)多種分立和集成動(dòng)力總成拓?fù)涞腃2000 MCU產(chǎn)品系列。
表2：推薦用于不同級(jí)別的動(dòng)力總成集成的C2000微控制器
動(dòng)力總成集成方框圖
圖3為一個(gè)動(dòng)力總成的方框圖，該動(dòng)力總成實(shí)現(xiàn)了電源開關(guān)共享和磁集成的架構(gòu)。
圖3：集成架構(gòu)中的電源開關(guān)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(shí)現(xiàn)電源開關(guān)共享。
此外，將圖3所示的兩個(gè)變壓器集成在一起還可以實(shí)現(xiàn)磁集成。這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邏簜?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(dāng)這個(gè)集成拓?fù)湓诟邏弘姵爻潆姉l件下工作時(shí)，高壓輸出可得到精確控制。但是，由于變壓器的兩個(gè)端子耦合在一起，所以低壓輸出的性能會(huì)受到限制。有一個(gè)簡單的方法可以提升低壓輸出性能，那就是添加一個(gè)內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器。但這樣做的代價(jià)就是會(huì)導(dǎo)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(jí)和三個(gè)半橋的額定電壓非常接近。如圖5所示，這使得兩個(gè)終端設(shè)備元器件共享的三個(gè)半橋能共享電源開關(guān)，從而降低成本并提升功率密度。
圖5：動(dòng)力總成集成設(shè)計(jì)中的組件共享
由于一個(gè)電機(jī)一般有三個(gè)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(shí)現(xiàn)磁集成。這也有助于降低設(shè)計(jì)成本和提高功率密度。
結(jié)束語
從低級(jí)別的機(jī)械集成到高級(jí)別的電子集成，集成的發(fā)展仍在繼續(xù)。隨著集成級(jí)別的提高，系統(tǒng)的復(fù)雜性也將增加。但是，每種架構(gòu)變體都會(huì)帶來不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括：
為進(jìn)一步優(yōu)化性能，必須精心設(shè)計(jì)磁集成。
采用集成系統(tǒng)時(shí)，控制算法會(huì)更加復(fù)雜。
設(shè)計(jì)高效的冷卻系統(tǒng)，以適應(yīng)更小型系統(tǒng)的散熱需求。
靈活性是動(dòng)力總成集成的關(guān)鍵。眾多方法任您選擇，您可以任意地探索各種級(jí)別的集成設(shè)計(jì)。
其他資源
閱讀效率為98.6%且適用于HEV/EV車載充電器的6.6kW圖騰柱PFC參考設(shè)計(jì)。
了解基于GaN的6.6kW雙向車載充電器參考設(shè)計(jì)。
查看經(jīng)過ASIL D等級(jí)功能安全認(rèn)證的高速牽引和雙向直流/直流轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)。
關(guān)于德州儀器（TI）
德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問公司網(wǎng)站www.ti.com.cn。
