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。

總成集成有利于混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車?，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

?提高功率密度?：通過集成動(dòng)力總成系統(tǒng)，可以減少器件數(shù)量，提高系統(tǒng)的功率密度，從而提升電動(dòng)汽車的整體性能?12。

?優(yōu)化成本?：集成化設(shè)計(jì)可以減少器件數(shù)量和組裝步驟，降低制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益?12。

?提高可靠性?：集成化設(shè)計(jì)減少了組件間的接口和連接，降低了故障率，提高了系統(tǒng)的整體可靠性?12。

?簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和組裝?：集成化設(shè)計(jì)支持標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和組裝過程，提高了生產(chǎn)效率?12。

?輕量化?：集成化設(shè)計(jì)減少了系統(tǒng)的重量，有助于實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛里程?34。

具體應(yīng)用案例和未來發(fā)展趨勢(shì)

?比亞迪的三合一動(dòng)力總成?：比亞迪的電機(jī)、電控、變速器三合一驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)通過集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了體積小、重量輕、功率密度高的優(yōu)勢(shì)，顯著提升了電驅(qū)總成的效率和成本效益?4。

?寬帶隙半導(dǎo)體器件?：碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等新材料的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了電動(dòng)汽車的效率和功率密度，推動(dòng)了動(dòng)力總成集成技術(shù)的發(fā)展?5。

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(jiǎn)化設(shè)計(jì)和組裝，并支持標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。

市場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)上的集成架構(gòu)：

可降低電磁干擾(EMI)的高壓三合一集成：車載充電器、高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器和配電單元的集成(方法3)集成架構(gòu)：車載充電器和高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的集成(方法4)43kW充電器設(shè)計(jì)：車載充電器、牽引逆變器和牽引電機(jī)的集成(方法4)

· 6.6kW車載充電器

· 2.2kW直流/直流轉(zhuǎn)換器

· 配電單元

*第三方數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，這類設(shè)計(jì)能夠使體積和重量減少大概40%，并且使功率密度提高大概40%· 6.6kW車載充電器

· 1.4kW直流/直流轉(zhuǎn)換器

· 磁集成

· 共享電源開關(guān)

· 共享控制單元

(一個(gè)微控制器[MCU]控制的功率因數(shù)校正級(jí)，一個(gè)微控制器控制的直流/直流級(jí)，以及一個(gè)高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器)·交流充電功率高達(dá)43kW

·共享電源開關(guān)

·共享電機(jī)繞組

表1：集成動(dòng)力總成的三種成功實(shí)現(xiàn)

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(jiǎn)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。這樣，便可以通過由兩個(gè)終端設(shè)備組件共享的三個(gè)半橋來實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)共享，如圖5所示。這可以降低成本并提高功率密度。

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)。

隨著越來越多的混合動(dòng)力汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 首次亮相，汽車制造商正在提高車輛動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化程度。受全球限制二氧化碳排放法規(guī)的推動(dòng)，銷量每年以 20% 至 25% 的速度增長(zhǎng) [1]，預(yù)計(jì)到 2030 年將占汽車總銷量的 20% 至 25%[2]。此外，隨著消費(fèi)者對(duì)混合動(dòng)力汽車的接受程度的提高，也帶來了對(duì)性能更好、行駛里程更長(zhǎng)的節(jié)能、堅(jiān)固和緊湊型系統(tǒng)的更大需求。

該領(lǐng)域的主要顧慮之一是如何使混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車更實(shí)惠，促進(jìn)大眾市場(chǎng)的采用并解決汽車制造商當(dāng)前盈利能力不足的問題。如今，小到中型電動(dòng)汽車的平均價(jià)格比同等級(jí)別的內(nèi)燃機(jī)汽車高出約 12,000 美元 [3]。

起初，人們認(rèn)為電池成本是造成價(jià)格差異的唯一原因。的確，電池成本在未來可能會(huì)大幅下降。然而，詳細(xì)的商業(yè)模式最近表明，其他選項(xiàng)也可以降低成本 [3] 并縮短原始設(shè)備制造商(OEM) 使混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車銷售實(shí)現(xiàn)盈利的時(shí)間。一種選擇是按成本設(shè)計(jì) (DTC)，它專注于動(dòng)力總成集成，即電力電子組件放置得更緊密，減少組件數(shù)量，并將它們集成到更少的盒子中。

在本白皮書中，我會(huì)介紹將 DTC 應(yīng)用于電力電子產(chǎn)品如何使OEM 能夠?qū)崿F(xiàn)大眾市場(chǎng)的采用。首先，我將解釋為什么電力電子技術(shù)的進(jìn)步能夠在努力降低動(dòng)力總成系統(tǒng)的 DTC 的同時(shí)減輕消費(fèi)者的“里程焦慮”，然后介紹旨在采用 DTC 的系統(tǒng)級(jí)集成式動(dòng)力總成解決方案，并特別著重介紹優(yōu)化半導(dǎo)體 (IC) 和功率器件的內(nèi)容。

解決里程焦慮

在購買混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車時(shí)，里程焦慮一直是消費(fèi)者最關(guān)心的問題。2020 年，市場(chǎng)上預(yù)計(jì)將發(fā)布幾款里程超過 200英里 [4] 的電動(dòng)汽車。即使在不同的 OEM 廠商中，這些電動(dòng)汽車的共同之處在于，它們都采用了全新的動(dòng)力總成平臺(tái)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了電池堆疊和封裝以實(shí)現(xiàn)高續(xù)航里程。更高的電池組堆疊轉(zhuǎn)化為更高的電壓和更大的馬力。

現(xiàn)代電動(dòng)汽車的電池電壓通常約為 400V，但要獲得更大的馬力，則需要將電池電壓提高至 800V，尤其是在高端電動(dòng)汽車中。更高的電壓可將相同的電流轉(zhuǎn)換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)緊湊的空間和更低的 DTC。

此外，在同樣的功率下，更高的電壓可提高效率，因?yàn)椴挥檬褂么箅娏?，從而可降低熱耗散。更小的電纜直徑和更低的重量反過來又降低了 DTC。